scan0069 2

76

średnica porów powinna być cztery razy większa cd najmniejszego rozmiaru komórki. Dla grzybów rozmiary porów powinny być nie mniejsze od szesna-stokrotnego rozmiaru zarodników.

Metody zamykania w siatce polimeru są równie popularne jak metody sorpcyjne. Polegają one na unieruchomianiu komórek lub enzymów wewnątrz naturalnych lub syntetycznych żeli. Najczęściej stosuje się aiginiany, karaga-niany, agar i żel poliakrylamidowy. Stosowanie naturalnych polisacharydów ma wiele zalet. Są to materiały tanie i bezpieczne. Dzięki technikom utwardzania, żele te uzyskują odpowiednie własności mechaniczne. Syntetyczne polimery, np. poliakrylamidowe, mają dobre własności mechaniczne, jednakże monomery są często toksyczne zarówno dla mikroorganizmów, jak i dla ludzi. Obserwuje się znaczną utratę aktywności materiału biologicznego podczas unieruchomiania. W odróżnieniu od metod sorpcyjnych, unieruchomianie komórek lub enzymów wewnątrz polimeru powoduje pojawienie się dodatkowych oporów ruchu masy — oporów związanych z dyfuzją substratów i produktów wewnątrz polimeru. Efekty te mogą zmniejszać ogólną szybkość przemian w reaktorze. Prowadzone są prace nad dobraniem tanich polimerów syntetycznych, odpowiadających wymaganiom procesów biochemicznych.

Wyodrębnioną grupą technik jest zamykanie materiału biologicznego wewnątrz półprzepuszczalnych membran. Najczęściej stosuje się membrany z octanu celulozy lub kolagenowe.

Wiele mikroorganizmósv wykazuje skłonności do tworzenia aglomeratów. Metody zatrzymywania mikroorganizmów w reaktorze w wyniku aglomeracji w wielu wypadkach są metodami najbardziej naturalnymi, tanimi i prostymi. Zwiększenie tendencji do aglomeracji uzyskuje się dodając do podłoża poli-elektrolity lub inne czynniki precypiłujące.

7.6.2. Wpływ unieruchomiania na materiał biologiczny

Unieruchomianie komórek lub enzymów wpływa zarówno na aktywność materiału biologicznego, jak również na niektóre jego własności. Komórki są bardziej odporne na różnego typu uboczne efekty immobilizacji niż pojedyncze enzymy.

Utrata aktywności podczas unieruchomiania może mieć różne przyczyny.

-    dezaktywacja enzymów pod działaniem reagentów (np. monomeru),

-    związanie enzymu z nośnikiem w takiej konfiguracji, że centrum aktywne jest niedostępne dla substratu,

-    związanie enzymów z nośnikiem w sposób powodujący powstanie nieaktywnej konfiguracji,

-    dezaktywacja komórek lub enzymów pod wpływem warunków unieruchomiania, np. uszkodzenia mechaniczne, działanie naprężeń itp.

Jednym z istotnych czynników wpływających na przebieg procesów z unieruchomionym materiałem biologicznym są efekty związane z transportem substratów do powierzchni nośnika i produktów od powierzchni nośnika, zaś w przypadku unieruchomiania wewnątrz polimeru również transportem w materiale nośnika. Jeżeli aktywność enzymów jest wysoka, opory dyfuzyjne mogą decydować o ogólnej szybkości procesu. Oznacza to również, że mikro-środowisko, w którym znajduje się materiał biologiczny na powierzchni nośnika lub w jego wnętrzu, różni się od podłoża ciekłego dopływającego do fermentom. Przede wszystkim dotyczy to stężenia jonów wodorowych. Lokalna wartość Ph wewnątrz nośnika lub na jego powierzchni może różnić się od wartości pH w rdzeniu cieczy. Różnice te mogą istotnie wpływać na przebieg przemian enzymatycznych, trwałość enzymów i wydajność procesu. Podobnie lokalne wyższe stężenia produktów metabolizmu lub przemian enzymatycznych mogą działać hamująco na ogólną szybkość procesu. W badaniach doświadczalnych obserwowano znacznie większe zmniejszenie aktywności enzymów w stosunku do substratów wielkocząsteczkowych niż w stosunku do substratów o niskiej masie cząsteczkowej. Związane jest to z większymi oporami transportu masy w nośniku dla związków o dużej masie cząsteczkowej oraz efektami przestrzennymi. Dla substratów takich jak np. kazeina lub skrobia, których cząsteczki są zbliżone do cząsteczek białek, mogą wewnątrz porów nośnika występować ograniczenia natury przestrzennej, utrudniające przebieg przemian enzymatycznych.

Wpływ unieruchomiania na trwałość enzymów jest zagadnieniem złożonym. Wpływ ten zależy od mechanizmu działania enzymu, sposobu unieruchomiania, warunków prowadzenia procesu. Niektóre badania doświadczalne wskazują, że unieruchomianie podwyższa odporność termiczną enzymów. Jednakże znane są także przypadki obniżania odporności termicznej w wyniku iinmobilizacji. Wiele enzymów proteolitycznych, ulegających rozkładowi w roztworach wodnych, wykazuje większą trwałość w wyniku unieruchomienia. Przyjmuje się, że zwiększenie stabilności unieruchomionych enzymów związane jest zarówno ze swoistym usztywnieniem jego struktury w wyniku unieruchomiania, jak i specyficznością lokalnego mikrośrodowiska.

7.6.3. Procesy z unieruchomionym materiałem biologicznym

Bioreaktory z unieruchomionym materiałem biologicznym stosowane są w trzech głównych grupach procesów technologicznych:

~ Biokonwersja. Reaktory do prowadzenia biokonwersji wykorzystują unieruchomione enzymy, unieruchomione nieaktywne komórki lub komórki aktywne, lecz nie rosnące. Zwykle w reaktorach tych nic występuje napowietrzanie, nie jest też wydzielany dwutlenek węgla. Często prace prowadzi się w warunkach niejałowych.