生物反应器

生物反应器

生物反应器，是指利用自然存在的微生物或具有特殊降解能力的微生物接种至液相或固相的反应系统。目前研究得最多的两种反应器是“升降机型反应器”和“土壤泥浆反应器”。升降机型反应器是通过水相的流动来提供适当的营养、碳源和氧气，从而达到降解土壤中污染物质的目的。与固相系统相比，生物反应器能够在更短的时间内将污染物进行有效降解。该生物反应器技术已经应用于有机污染土壤的生物修复中。通过研究生物反应器，我们可以了解到：可以知道为达到一定的生产目的需要多大的生物反应器，确定什么样的结构更好；其次，对已有的生物反应器进行分析，达到优化的目的；还有就是分析各种生物反应器的数据，从而对细胞的生长、代谢等过程有更加深入的理解，生物反应器是工程学的一部分也是化学工程的一个分支，加上成本低.、设备简单、效率高、产品作用效果显著、减少工业污染等优点使他能够在很多方面都有着重要的应用，如改良乳汁品质、生产药用蛋白、外源基因在动物体内的位点整合问题、.乳蛋白基因表达组织特异性问题、目的蛋白的翻译后修饰问题、转基因表达产物的分离和纯化问题、转基因的技术与方法问题、伦理道德问题等诸多方面。

生物反应器经历了三个发展阶段：细菌基因工程、细胞基因工程、转基因动物生物反应器。转基因动物生物反应器的出现之所以受到人们极大的关注，是因为它克服了前两者的缺陷，即细菌基因工程产物往往不具备生物活性，必须经过糖基化、羟基化等一系列修饰加工后才能成为有效的药物，而细胞基因工程又因为哺乳动物细胞的培养条件要求相当苛刻、成本太高而限制了规模生产。另外，转基因动物生物反应器还具有产品质量高、容易提纯的特点。一般把目的片段在器官或组织中表达的转基因动物叫做动物生物反应器。几乎任何有生命的器官、组织或其中一部分都可以经过人为驯化为生物反应器。从生产的角度考虑，生物反应器选择的组织或器官要方便产物的获得，例如乳腺、膀胱、血液等，由此发展了动物乳

腺生物反应器、动物血液生物反应器和动物膀胱生物反应器等。其中，转基因动物乳腺生物反应器的研究最为引人注目。

微生物的种类很多，特点各异，生物反应器也五花八门，各以不同的方式提供适宜的生长环境，反应器的设计涉及采用的工艺、搅拌和通气系统及主要基质的状态。通气系统的基本形式有浸没式鼓泡器（有或没有机械搅拌）、表面通气装置和膜反应器。

生物反应器的特点：与一般化学过程的反应器相比，其特点有：①在常温常压下操作，但要求能耐受蒸汽灭菌，制作严密无隙以防染菌，且用对微生物或酶无毒害的材质制作；②当用微生物为催化剂时，催化剂本身是在发酵罐中产生的（开始时需接入菌种），为防止杂菌污染和活性衰退，一般采用分批釜式反应器；③酶常因底物（即酶的作用物）的浓度过高发生抑制作用，微生物细胞因胞内外渗透压平衡问题，要求底物浓度也不能太高，因而反应器体积相当庞大；④在发酵过程中，生化反应机理和途径相当复杂，有的尚不清楚，很难进行化学计量学的计算及反应动力学的研究，加上反应时常是气、液、固三相并存，有的反应液粘度很大，流变学性质复杂，对反应器中物料的混合和传递带来不利，使采用化学反应工程的原理和方法解决生物反应器的设计放大问题存在较大困难。

生物反应器的分类

（一）按照生物反应过程来分：

1、发酵过程用的反应器称为发酵罐：发酵罐若根据其使用对象区分，可有：嫌气发酵罐、好气发酵罐、污水生物处理装置等。其中嫌气发酵罐最为简单，生产中不必导入空气，仅为立式或卧式的筒形容器，可借发酵中产生的二氧化碳搅拌液体。这种发酵罐根据其特点叫做机械搅拌罐，有人也叫它常规发酵罐。是目前使用最多的一种，适用性好，适应性强，从小型到中型、到大型的细胞培养过程都可以使用，放大容易。其缺点是罐内的机械搅拌剪切力容易损伤娇嫩的细胞，造成某些细胞培养过程减产。

2、酶反应过程用的反应器则称为酶反应器。①游离酶反应器：以水溶液状态与底物反应。若为分批釜式反应器，酶就不能回收；若用连续釜式反应器并附有一个能把大分子的酶留在系统内的超滤装置则可使酶连续使用。也可将酶液置于用超滤材料制成的U形管或中空纤维管中,并将其置于釜式或管式反应器进行操作，这样也可使酶连续使用。后者接近连续管式反应器。②固定化酶反应器：除了和化学反应器类似的固定床反应器和流化床反应器外，还有多种特殊设计。例如：将酶固定在惰性膜片上，再卷成螺旋装置于反应器中,或将酶固定在中空纤维的内壁制成反应器；也可将固定化酶置于金属网框中进行酶反应，在反应中产气(如CO2)严重时，可考虑采用多层酶反应器。

3、专为动植物细胞大量培养用的生物反应器，专称为动植物细胞培养装置。动物细胞培养所用的生物反应器与前面所介绍的生物反应器（用于微生物培养的）基本是一样的。但由于高等生物细胞比较娇嫩，对培养条件要求更高一些，因而在选用及设计生物反应器时要特别考虑以下几点：①避免或减低由于机械搅拌而产生的剪切力对细胞的损伤。②气泡的表面张力可对细胞造成伤害，在通气时要防止气泡与细胞接触。、在进行PH调节或补料时，要严格防止化学环境的急剧变化对细胞的伤害。如不能用酸、碱直接加入的方式调节PH，应以改变CO2/O2/N2的比例为主进行调节。

（二）生物反应器的其它分类：①批式培养：指的是营养物和菌种一次加入进行培养，直到结束放出，中间除了空气进入和尾气排出，与外界没有物料交换。批式反应可以用各种反应器，其中以机械搅拌式和气升式用的最多。②连续培养：连续培养是不断地往反应器中加入营养物，利用罐中的菌体增殖得到产物，并不断采出。实际进行连续培养有两类反应器（搅拌罐式反应器和管式物料连续地以体积流量F流入反应器，并以同样流量流出去。反应器内有很好的混合，即各点浓度一样。连续搅拌罐反应器-恒化器，恒化器的操作特点是其流出物流的浓度与反应器内相同，而且加入的物流，一进入反应器立即与反应器内物料均

匀混合。

生物反应器的强化：在实验室里用小型设备进行科学试验，获得了较高的产量和效率，如何在大型的生产规模设备里重现，是生物反应器放大要解决的问题。常见的强化方法有数学模型法、半数学模型法、因次分析法（又称量纲分析）、近似法则法、尝试误差法。经过放大，最有可能对发酵过程反应速率产生影响的一般是传质过程，其中限制性的传质速率就是气态氧向液相中传递的速率。因此，先要了解发酵罐中的传质及混合过程：①反应器搅拌的一个重要的参数是通过搅拌器输入到流体的功率值。决定搅拌功率的除了搅拌浆转速与直径外还有两个重要的因素，一是流体的流动与性质，二是通气与否。流动流体性质依其切变速率与剪切力之间的关系可分为牛顿型流体与非牛顿型流体。牛顿型流体切变速率与剪切力成比例，比例系数为粘度，非牛顿型流体则不成比例。②氧的传递能力的好坏受物体流动性、反应器尺寸、操作条件等各方面的影响。氧的传递又常限制细胞的生长。但是，生物反应器的放大需要遵循以下原则：几何相识法、恒定等体积功率放大、恒定传氧系数放大、恒定剪切力、恒定叶端速度放大、恒定的混合时间放大。生物反应器的控制中也需要了解生物反应器的目的是在实际发酵过程中实现在工艺和动力学等研究中得到的工艺条件。

总之，生物反应器是使生物反应得以实现的装置。生物反应器有各种各样的形式，要使生物反应器运行得好，必须首先对生物反应器和反应特征有深刻的理解，这就是生物反应器工程的概念。生物反应器工程着重研究生物反应器本身的特性，如其结构和操作方式、操作条件对细胞形态、生长、产物形成的关系。它与生物反应工程结合，共同解决各种生物反应的最佳生物反应器、最佳操作条件的选择问题。生物反应器与转基因动物是20 世纪生命科学发展的一个里程碑，但现在仍然存在着许多急需解决的问题。由于转基因动物的研究在理论和技术上尚有不完善之处，使得转入的外源基因在动物基因组中随机整合、调节失控、遗传不稳定，表达率不高。要提高转基因的效率，保证外源基因的有效表达，关键是基因构建

的定点整合。转基因动物生物反应器的产品的安全性问题。这包括转基因动物的产物的分离和提纯，表达产物的结构和生物活性与人体蛋白的相似性的问题。只有从表达产物除去能引起人类变态反应的非人类蛋白，并且产品与人体蛋白有足够的相似性，才能应用于人类的健康事业。转基因动物的成活率低，出生后的部分个体表现出各种生理和免疫缺陷。如为提高生产性能而制备的转基因猪出现了雌性不育、胃溃疡和关节炎等病症；而克隆牛已经先后死去；转基因后获得的目的性状，通过有性繁殖后，遗传性状出现分离，如英国的一只高产1-AT 羊奶的转基因绵羊，其子代羊奶中的含仅为其母亲的1/10。尽管转基因动物生物反应器的研究仍面临着许多需要解决的问题，但它潜在的社会价值是无可估量的。在未来几年内，将有多种动物乳腺生物反映器重组蛋白上市，从而形成市场前景广阔和利润巨大的新生物制药行业。