固定化细胞废水处理专利技术综述

固定化细胞废水处理专利技术综述

徐浩

国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心

摘要：本文通过检索分析固定化细胞废水处理技术的专利申请文献，从中获取了国内外该领域专利申请的主要技术分支信息，并在此基础上对固定化细胞废水处理技术未来发展和专利申请趋势进行了预测。

关键词：固定化细胞废水处理载体

1引言

日趋严重的水污染问题迫切要求开发高效的废水处理新技术，因而固定化细胞废水处理技术成为各国学者研究的热点。固定化细胞技术是20世纪70年代末由生物化工领域中的固定化酶技术发展而来的一项新兴技术。固定化细胞技术是指采用化学的或者物理的手段将游离细胞定位在某一特定空间范围内，保留其固有的生物催化活性，且能够被重复和连续使用的一种现代生物工程技术。与固定化酶相比，使用固定化细胞避免了复杂繁琐的酶分离纯化过程，而且能很好的保持微生物细胞的天然内环境，有效阻止了酶失活。利用固定化细胞技术处理废水具有处理效率高、细胞流失少、固液分离效果好、反应过程易控制、对环境耐受力强(pH、温度、有毒物质等)、易于再利用等优点。因此，在水环境污染日益严重的今天，固定化细胞的污水处理技术有着广阔的研究潜力和应用前景。

2数据库的选择和检索

为了解固定化细胞废水处理相关技术专利申请状况，通过关键词和IPC分类号在CNABS、CNTXT和VEN数据库进行检索，获得专利文献四百余篇作为分析样本。

3主要技术分支

固定化细胞废水处理领域主要包括如下2个技术分支，一是固定化细胞的载体，二是固定化细胞性能基因工程改造，以下结合中国相关专利申请进行介绍。

4.1固定化细胞载体

固定化细胞技术的关键是所用载体材料的性能。作为固定化细胞的载体材料应具备以下性能：(1)对细胞无毒，具有高的载体活性；(2)具有良好的传质性能；(3)具有高的细胞容量；(4)具有生物、化学及热力学稳定性，机械强度较高，使用时间较长；(5)原料价廉易得，制备工艺简便，适于大规模生产。常用载体材料主要分为三大类：有机高分子载体、无机载体和有机／无机复合载体。

4.1.1有机高分子载体材料

天然高分子载体材料一般对生物无毒性、传质性能好，但强度较低、在厌氧条件下易被微生物降解、寿命短。常见的有琼脂、卡拉胶、海藻酸盐、纤维素、明胶、胶原等。海藻酸盐是一类从褐藻细胞壁中提取出来的多糖，整个大分子链含有MM、MG、GG链段，可形成耐热的凝胶或被膜。申请号为201210286720的专利申请公开了一种带有生物催化元素的固定化活性细胞载体及其制备方法，其载体材料中包括海藻酸铀，该发明载体菌群团的生长寿命得以极大地延长。

合成有机高分子载体材料一般强度较大，但传质性能差。常见的有聚丙烯酰胺(PAM)、聚乙烯醇(PVA)、聚氨酯泡沫(PUF)、光固化树脂等。涉及申请号为200310110842.4的专利申请，其制备方法主要步骤为:将PVA与配料海藻酸纳、还原铁粉、CaC03、Si02粉混合制得PVA水凝胶溶液，采用冷冻法将材料用模具进行初次定型，然后在温度25-30°C采用甲睦交联液进行预交联。

4.1.2无机载体材料

无机载体材料具有机械强度大、对微生物无毒性、不易被微生物分解、耐酸碱、成本低、寿命长等特征，是一类重要的载体材料。这类载体大多具有多孔结构，在与微生物接触时，利用吸附作用和电荷效应将微生物固定；同时还可以容纳不断增殖的微生物，使载体具有较高的细胞容量。常见的无机载体如多孔陶粒、多孔玻璃珠、沸石、红砖碎粒、浮石、活性炭、氧化铝、硅胶等，广泛应用于环境治理等领域。目前用于固定化酶的以硅基介孔材料较多，涉及的专利申请号CN96117605.9，其公开了合成一类带络合基团的有机一无机物催化剂载体，具备优良的载体性能。

4.1.3磁性载体材料

将细胞与磁体一起包埋或者采用吸附法将细胞固定于具有磁性的载体上可制得磁性载体材料固定化细胞，其特点是在外磁场存在下，通过磁力可控制其在处理场中的运动，避免搅拌等操作对细胞和载体材料的破坏，降低对固定化细胞强度的要求。涉及的专利申请为申请号201210250747的专利申请，其公开了一种制备磁性壳聚糖的方法。本发明的特点是:磁性壳聚糖的制备工艺非常简单，制备得到的磁性壳聚糖磁响应性能良好，可通过外界磁场作用进行回收。

4.2固定化细胞性能基因工程改造

固定化细胞或微生物本身的性能对污水处理效果有决定性的影响，因此，通过基因工程改造，从而使固定化细胞或微生物具备更加优良的生产性能是本领域的重要技术分支之一。

申请号为201010206368的专利公开了一种用于含油脂污水处理的全细胞脂肪酶制剂的构建方法，主要是针对含油脂污水中油脂的降解，克隆高效降解脂肪酶基因，将高水解活性的脂肪酶展示表达在解脂耶氏酵母细胞表面得到全细胞脂肪酶制剂，极大的提高产脂肪酶微生物在活性污泥法处理含油脂污水中的效率。

5技术发展和申请趋势预测

近年来，由于我国对环境保护和治理的高度重视，我国关于固定化细胞处理废水技术的研究非常活跃，技术水平也飞速提高，但相对于国外还有一定的距离，并且研究主体主要为高校和科研院所，缺乏技术创新驱动的大企业。然而，值得肯定的是，国内已有越来越多的企业投入到相关技术的研究中，并且已初具规模。未来的专利申请将更加集中在新型载体材料及固定化细胞本身性能改造和优势微生物菌群筛选方面。