生物反应器的研究进展

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3.2 封闭式光反应器 3.2.1 封闭式光反应器的优点:
与敞开式光反应器相比，封闭式光反应器具有以 下优点[4-6]：
① 培养效率高。该类反应器的光合效率最高可 达16.6%，微藻细胞浓度可高达每升几十克，藻体的 采收十分方便。
② 培养条件易于控制除自然光难以控制外，其 他条件均可自动控制，对微藻代谢产物的大量积累非 常有利。
优点：成本低、建造容易、操作简便、易于生产。 缺点： （1）培养效率低，这类反应器培养微藻的光和效 率约为1%，而微藻的光合效率最大可达到20%左右， 从而使培养液中藻液浓度低，使得收获费用过高。 （2）培养条件无法控制，易受外界环境的影 响，难以保持最适光照、温度等生长条件，生产 期短。 （3） 易受到杂藻、水生动物、大气中的灰尘等 的污染，不易保持高质量的单藻培养，重金属离子等 有毒物质也易在藻体内积累。 （4）水分容易蒸发，容易造成培养液盐度过 高，使得微藻生长缓慢。 （5）由于光径较长，光照面积和藻液体积之比 较低，因此光能利用率不高，难于实现高密度培养。 敞开式光生物反应器的上述缺点，决定了该类反 应器只适用于附加值较低，且生长条件比较苛刻(高 盐度、高PH）的产品的生产，因而培养对象极为有 限，难于实现高密度培养。
实现混合与溶氧传质。常见的类型有气升环流式、鼓 泡式、空气喷射式等。[1]
优点： ① 气体从罐的下部通入，可带动流体在整个反 应器内循环流动，使反应器内的溶液容易混合均匀； ② 由于不用机械搅拌桨，省去了密封装置，使 污染杂菌的机会减少，同时降低了机械剪切作用对细 胞的伤害； ③ 由于液体循环速度较快，反应器内的供氧及 传热都较好，利于节约能源。 缺点：气升式环流反应器不适宜于在黏度大或含 有大量固体的培养液中应用。 （3） 自吸式发酵罐 自吸式发酵罐是一种不需要空气压缩机提供加压 空气，而依靠特设的机械搅拌吸气装置或液体喷射吸 气装置吸入无菌空气并同时实现混合搅拌与溶氧传质 的发酵罐。[1] 优点： ① 不需要空气压缩机提供压缩空气，从而省去 了空气系统，使设备成本降低，减少厂房面积。 ② 溶氧的速率高，溶氧的效率较高、能耗较低。 ③ 用于酵母生产和醋酸发酵具有生产效率高、 经济效益高的优点。 缺点: ① 进罐空气处于负压状态，容易增加杂菌侵入 的机会。 ② 搅拌容易导致转速提高，有可能使某些微生 物的菌丝被切断，影响细胞的正常生长。 同时，必须
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生物反应器的研究进展
吴电云 邹宁 常林 （鲁东大学生命科学学院 山东烟台 264025）
生命科学仪器 2010 第8卷/6月刊
摘要 随着生物技术的发展，生物反应器作为一种生物功能模拟机，被广泛应用于制药、食品等行业，本文对生物器 的分类、主要构造、功能及优缺点进行了综述。 关键词 生物反应器；结构；功能；优缺点；
谢产物的产生。 ③ 便于连续操作 缺点：支持物颗粒破碎容易填充床阻塞。 （2）流化床反应器 利用流体（液体或气体）的能量使支持物颗粒处
于悬浮状态。 优点：该反应器混合效果好。 缺点：流体的切变力和固定化颗粒的碰撞常使支
持物颗粒破损，流体动力学复杂使其放大困难。 2.3 膜反应器
采用具有一定孔径和选择透性的膜固定细胞，营 养物质可以通过膜渗透到细胞中，细胞产生的次级代 谢产物可以通过膜释放到培养液中。
（1）机械搅拌式发酵罐 机械搅拌式发酵罐是利用机械搅拌器的作用，使 空气和发酵液充分混合，促进氧的溶解，以保证供给 微生物生长繁殖和代谢所需的溶解氧。它是借搅拌涡 轮输入混合以及传质所需要的功率。[1] 优点：靠通入的压缩空气和搅拌叶轮实现发酵液 的混合、溶氧传质，同时强化热量传递。生产效率、 经济效率高。 缺点：搅拌需要的机械功率大，浪费能源，剪切 力大，容易对细胞造成损伤。 （2） 气升式发酵罐 气升式发酵罐是把无菌空气通过喷嘴或喷孔喷射 进发酵液中，通过气液混合物的湍流作用而使空气分 割破碎，同时由于形成的气液混合物密度降低而向上 运动，而气含率小的发酵液则下沉，形成循环流动，
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（4）多支路并行流管式光生物反应器 这种管式光生物反应器的集光管是平放在地面上 的。8根集光管平行排列与两端的多支复合接头管连 接,构成并行的流动回路。反应器采取气生循环,集光 管以聚碳酸酯为材料。并行流管式光生物反应器,在提 高集光管内藻液的流速方面取得了一定的成效。在微 藻培养过程中,藻液溶氧水平最高可达200 %以上。[12] （5）α-2型管式光生物反应器 α-2型管式光生物反应器的两端是两排5m高的 气升式提升管,每排提升管的顶部各有一只长方形的贮 液槽。藻液从气升式提升管流入贮液槽,再从与贮液槽 相连的一排平行排列的倾斜聚氯乙烯管流出,到达对面 一侧的气升式提升管底部,经气升提升后,进入对面一 侧提升管顶部的贮液槽,然后,从另一排聚氯乙烯倾斜 管流回到原来的提升管底部,如此循环。[13] 3.2.2.2 板式光生物反应器 （1）人工光源的板箱式光生物反应器 人工光源的板箱式光生物反应器,板箱长度 122cm ，板箱厚度10cm ,板箱内藻液的装液高度约 50cm。用16 根荧光灯照光,板箱两侧每侧8根,表面平 均光强30klx。反应器的总装液体积64L 。表面积与 体积比约20m- 1 ,采取通气鼓泡混合。[14] （2）水平放置的板式光生物反应器 这种反应器由硬质聚乙烯塑料制成，具有三层壁 的单元板组合而成,每块单元板长6m ,宽25cm ,厚4cm。 单元板的内部结果与空心瓦的内部结构相似,具有两排 网格状方形通孔管道。[15] 3.2.2.3 光导纤维光生物反应器 Mori[16]报道了一种光导纤维光生物反应器。该装 置的顶端是一个集光器用于收集入射光,光导纤维连接 在集光器的底部,通过光导纤维将光直接传入六角柱形 反应器罐体内部的光导棒上。竖直平行排列于反应器 罐体内的光导棒,将光线均匀地分散到罐体内部的藻液 中。用透明高分子材料制作的光导棒的外围包裹了一 层折射率较低的介质。沿光导棒的长度方向,每1cm 切 割一个环状凹槽,促使光线向周围散射,这样使光线在 反应器中均匀分布。 缺点：光导纤维光生物反应器的生产制作成本是 极昂贵的。在可以预见的将来很难应用于微藻商业化 生产。 3.2.2.4 生物反应器的发展前景 生物反应器的研制不仅对现有生物产业的发展起 着关键作用,而且可以用于进行高附加值化合物、药物 等的生产。生物反应器在生物产品研究工作中是一个
③ 污染少，易于实现纯种培养。 ④ 生产周期延长，甚至可终年生产。 适合于所有藻种的培养，尤其适合于藻类代谢产 物的生产。 3.2.2 封闭式光反应器的分类 封闭式光生物反应器的主要类型有:垂直柱式、 管式、板式, 以及一些其它特殊类型, 例如:光导纤维光 生物反应器。[3] 柱式光生物反应器是管式反应器的前身, 柱式反 应器都是用于初期的小试规模研究。管式光生物反应 器实际上是柱式反应器研究基础上的放大。 3.2.2.1 管式光生物反应器 （1）水平放置地面的蛇形管式光生物反应器 在意大利佛罗伦萨, Torillo等[7 ,8]试验了一种用聚乙 烯塑料管制作的管式反应器。反应器的管径14cm ,培 养液总体积8000L ,占地面积约80m2 ,为了克服管壁较 薄,机械强度不够的缺点。后来又以有机玻璃为材料制 作了管径13.1cm和管径7.4cm的两种管式反应器,管壁 厚度达到4mm ,管道平行排列水平放置于地面。平行 排列的管道之间用U形聚氯乙烯塑料弯头连接,管路的 两端连接到距地面3m的贮罐中,贮罐体积为350L。 （2）浸没在水池中冷却的蛇形管式光生物反应器 Gudin and Chaumount[9 ,10 ]报道,在法国建造了管径 6.4cm ,面积100m2 的管式光生物反应器。反应器的管 道材料是聚乙烯塑料。此管式反应器是由5个面积为 20m2 的相同单元组成。反应器的集光管放在水池中, 可以根据需要对藻液进行冷却。 （3）双层排列管式光生物反应器 双层排列管式光生物反应器的设计原理是，阳光 首先照射到上层集光管,从上层集光管缝隙之间漏过 的直射光再由下层集光管吸收,在两层集光管的底部放 上白色聚乙烯薄膜,未被两层集光管吸收的光线落到底 部,经白色薄膜反射后再次由上面两层集光管吸收,进 一步提高光能利用率。[11]
优点：流体动力学易于控制，易于放大，而且能 提供更均匀的环境条件。同时还可以进行产物分离以 解除产物的反馈抑制。
缺点：构建膜反应器的成本较高。
3 光反应器
3.1 敞开式光反应器 一般在敞开的水平池中进行，或者利用天然湖
泊、环湖礁，池深一般为10-30cm，通常采用浆聚乙 烯或水泥做砌衬，面积可大至几千平方米。池内经常 采用浆板轮、螺旋桨或空气喷射器等进行搅拌，或者 将池体隔成跑道。[2]
作者简介： 吴电云，鲁东大生命科学学院硕士研究生，研究方向为微藻的工业化培养和活性物质分析。 通信地址：山东烟台鲁东大学生命科学学院 邮编：264025 E-mail：sdwdyun@
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配备低阻力损失的高效空气过滤系统。 2.2 固定化反应器 2.2.1 酶固定化反应器
以固定化酶作为催化剂进行酶促反应的装置称为 酶固定化反应器(Enzyme reactor)。
（1） 固定床型(填充床) 把颗粒状或片状等固定化酶填充于固定床内，底 物按一定方向以恒定速度通过反应床。 在其横截面上 液体流动速度完全相同，沿流动方向底物及产物的浓 度逐渐变化，但同一横切面上浓度一致。所以又称活 塞流反应器(Plug Flow Reactor, PFR) 。 优点：可使用高浓度的催化剂，可减少产物的抑 制作用（产物浓度沿反应器长度逐渐增高）。 缺点： ① 温度和pH难以控制； ② 底物和产物会产生轴向浓度分布； ③ 清洗和更换部分固定化酶较麻烦。床内压力 降大，底物必须在加压下才能进入。 （2）流化床型(Fludized Bed Reactor, FBR) 装有较小颗粒的垂直塔式反应器(形状可为柱 形、锥形等)。底物以一定速度由下向上流过，使固定 化酶颗粒在浮动状态下进行反应。 优点： 具有良好的传质及传热性能，pH、温度控制及 气体的供给比较容易；不易堵塞，可适用于处理黏度 高的液体； 能处理粉末状底物；即使应用细颗粒的催 化剂，压力降也不会很高。 缺点： 需保持一定的流速，运转成本高，难于放大；由 于颗粒酶处于流动状态，易导致颗粒的机械破损；流 化床的空隙体积大，酶的浓度不高；底物高速流动使 酶冲出，降低了转化率。 改进：使底物进行循环，避免催化剂。使用几个 流态化床组成的反应器组，或使用锥形流态化床。 2.2.2 细胞固定化反应器 以固定化细胞作为反应器进行反应的装置称为细 胞固定化反应器。 （1）填充床反应器 细胞固定于支持物表面或内部，支持物颗粒堆叠 成床，培养基在床层间流动， 优点： ① 固定化细胞包埋于细胞支持物内，可以消除 或极大地减弱流质流动引起的切变力。 ② 便于一定程度地分化发育，从而促进次级代