В настоящее время иммобилизованными полагают такие клетки, для которых созданы искусственные ограничения подвижности во внешней среде, а материальный посредник, обеспечивающий эти ограничения подвижности, считается носителем. В целом система клетка-носитель называется иммобилизованным биокатализатором.

В ряде случаев в качестве носителя используются нерастворимые материалы, к которым конкретный тип клеток прикрепляется в реальных условиях (например, древесина, почва, шерсть, минералы и др.), тогда жизнедеятельность клетки в иммобилизованном состоянии является для нее естественной, отличающейся от природной только искусственно поддерживаемыми в биотехнологическом процессе внешними параметрами (температура, давление, влажность и т.д.) и набором подаваемых клетке веществ.

Иммобилизация микроорганизмов (т.е. удерживание их носителем) может быть как необратимой, так и временной. Когда иммобилизуют растущую, интенсивно делящуюся культуру, часто наблюдается постепенный переход клеток из фазы носителя в окружающую среду, даже если исходная биомасса была фиксирована носителем необратимо. Когда же в процессе эксплуатации иммобилизованного биокатализатора со временем нарушается первоначальная целостность носителя, то вымываться из него могут даже неживые клетки. Но иногда оказывается удобной именно обратимая фиксация, чтобы можно было удалить отработавшие свой срок клетки и вновь иммобилизовать свежую их порцию. Такой подход к регенерации биокатализаторов удается применять, например, в случае адсорбционных вариантов иммобилизации. Ко всем методам иммобилизации клеток и к используемым при этом носителям предъявляются определенные требования, которыми обычно руководствуются при разработке того или иного биотехнологического процесса, предусматривающего применение содержащих клетки иммобилизованных биокатализаторов.

1. Прежде всего, используемый способ иммобилизации не должен в значительной степени затрагивать ферментативные системы клетки, необходимые для реализации конкретной технологии. Поэтому при проведении иммобилизации желательно либо совсем исключить, либо свести к минимуму контакт клеток с токсичными для них веществами, а также предотвратить нежелательное воздействие на микроорганизмы температурных и осмотических стрессов.

2. Как правило, предпочтительно осуществлять иммобилизацию таким образом, чтобы в результате клетки надежно удерживались носителем.

3. Желательно, чтобы трудоемкость стадии иммобилизации была по возможности минимальной, как и число манипуляций с клетками (существенно для сохранения стерильности).

4. Необходима хорошая операционная стабильность получаемых иммобилизованных биокатализаторов для их длительной эксплуатации, что зависит от механической, химической и биологической устойчивости носителя в условиях конкретного технологического процесса.

5. Очень важным моментом, особенно при работе с живыми клетками, является обеспечение иммобилизованных микроорганизмов питательными веществами, газообразными субстратами (например, кислородом для дыхания аэробных клеток) и отвод продуктов жизнедеятельности, т.е. материал носителя не должен создавать значительных диффузионных препятствий массообменным процессам.

6. Существенную, а при крупномасштабном производстве зачастую определяющую роль играет экономическая сторона вопроса, т.е. необходимы невысокая стоимость применяемого метода иммобилизации клеток и доступность исходных компонентов, так как даже очень хороший вариант, для которого использованы экзотические вещества и уникальное оборудование, имеет, к сожалению, мало шансов на промышленное воплощение.

Конечно, выполнить все эти требования каким-то единственным, универсальным методом иммобилизации микроорганизмов, учитывая к тому же огромное разнообразие их видов и функциональных особенностей, представляется маловероятным. Поэтому любой конкретный биотехнологический процесс на основе иммобилизованных клеток это - компромисс между «идеальным» и «реально возможным». Но, чтобы как можно в большей степени приблизиться к наилучшему варианту, конечно, необходимо представлять себе, к каким последствиям для биологических функций клетки может привести тот или иной способ ее иммобилизации.

Результативность работы биокатализатора в целом во многом определяется эффективностью снабжения иммобилизованной популяции питательными веществами или субстратами, а также легкостью отвода метаболитов. Эти факторы зависят главным образом от диффузионных барьеров, создаваемых материалом носителя. Поэтому способы иммобилизации классифицируют по принципу конечного состояния удерживаемой носителем клетки. Существуют следующие варианты иммобилизации клеток:

1. Иммобилизация клеток на носителе или на поверхности носителя.

Поверхность или часть поверхности удерживаемой носителем клетки свободно "омывается" внешней средой (жидкой или газообразной); при этом потребление субстратов и выделение продуктов жизнедеятельности микроорганизма определяются преимущественно биологическими факторами, т. е. функциональными возможностями конкретного штамма в среде используемого состава. В качестве носителей для иммобилизации в данном варианте используются различные адсорбенты и ионообменные материалы.

2. Иммобилизация клеток в носителе или в массе (объеме) носителя

Между внешней средой и клеткой в результате иммобилизации последней появляется слой материала носителя, и обмен веществ клетка-среда осуществляется через этот слой, где происходит диффузионно-контролируемый транспорт питательных веществ и отвод метаболитов. В данном случае свойства носителя (например, его пористость, заряд, гидрофильность) могут в значительной степени сказываться на работе иммобилизованного биокатализатора и на уровне реализации потенциальных возможностей микроорганизма. В данном варианте иммобилизации микроорганизмов в качестве носителей применяются либо полимерный гель, либо полимерная пленка, либо полимерное волокно.

3. Иммобилизация клеток с использованием мембранной технологии или иммобилизация в мембранных реакторах.

Клетка и небольшая часть внешней среды помещены в замкнутый объем, отделенный от остальной среды полупроницаемой мембраной, размеры пор в которой таковы, что субстраты и продукты через нее проникают, а клетки удерживаются внутри замкнутого объема. Здесь микроорганизмы находятся непосредственно в среде, с искусственной же мембраной как носителем контактирует лишь слой у поверхности мембраны; остальные клетки фактически не имеют затруднений в движении, если их концентрация не слишком высока.