生物反应器的类型|特点|应用

　　生物反应器是指利用酶或生物体所具有的特殊功能，在体外进行生物化学反应的装置系统，它是生物反应过程中的关键设备。生物反应器具有成本低、设备简单、效率高、产品作用效果显著、减少工业污染等优点。

　　生物反应器有很多种，按照不同的分类角度可以分为各种类型。

　　按照反应器内流型分：理想反应器(包括柱塞流反应器、全混流反应器)、非理想反应器。

　　按照操作方式分：连续式反应器、半连续式反应器、间歇反应器。

　　按照结构特征分：罐式反应器、管式反应器、塔式反应器、膜反应器。

　　按照反应器内相态分：均相反应器、非均相反应器。

　　按照生物反应器内有机体种类分：微生物反应器、植物细胞反应器、动物细胞反应器、酶反应器。

　　按照反应器内气液混合方式分：机械搅拌混合反应器、泵循环混合反应器、直接通气混合反应器、连续气相反应器。

　　按照是否通氧分：通气发酵设备、嫌气发酵设备。

　　医药工业中的diyi个大规模的微生物发酵过程——青霉素生产是在机械搅拌式生物反应器中进行的。且迄今为止，对新的生物过程，shou选的生物反应器仍然是机械搅拌式反应器。机械搅拌式反应器能适用于大多数生物过程，是形成标准化的通用产品。机械搅拌式反应器大多数用于间歇反应。

　　机械搅拌式生物反应器特点：

　　机械搅拌式生物反应器是借搅拌涡轮输入混合以及相际传质所需要的功率。这种反应器的适应性Z强，从牛顿型流体直到非牛顿型的丝状菌发酵液，都能根据实际情况和需要，为之提供较高的传质速率和必要的混合速度。

　　机械搅拌式生物反应器缺点是机械搅拌器的驱动功率较高，一般2~4kw/m3，这对大型的反应器来说是个巨大负担。

　　机械搅拌式生物反应器的基本结构包括：筒体，机械搅拌系统搅拌器、挡板、轴封、联轴器及中间轴承等，通气系统空气分散装置温控系统换热装置，消泡系统、pH控制系统等，并在筒体的适当位置设置排气、

　　生物反应器是近年来出现的一种能够在生物工程领域中进行应用的装置，它的主要用途是进行组织培养或对组织运动进行模拟，生物反应器因自身所具备的多样化功能，在诸多领域中得到广泛应用。

　　这种生物反应器简称MBR，它是一种将膜分离与生物处理两项技术融为一体的新型污水处理工艺，借助膜的GX分离作用，可以彻底将污泥和水分离开，从而使出水的水质达到Zyou。近年来，我国加大了工业产业的发展力度，很多工业企业的生产规模随之进一步扩大，与此同时，工业废水的排放量剧增，对自然生态环境造成了极其严重的污染和破坏。

　　膜生物反应器以其自身所具备的生物降解能力，为工业废水处理提供给了强有力的技术支撑，虽然受到投资成本和膜污染等因素的影响和制约，但随着近年来对膜生物反应器技术的研究不断深入，相信在不远的将来，膜生物反应器将会在工业废水领域中获得越来越广泛的应用。

　　膜生物反应器使用现状：

　　膜生物反应器在我国城市污水处理中所占的比例Zgao，约为57%，在工业废水处理中约占41%，由此可见，膜生物反应器在工业废水处理中有着广阔的应用前景。目前，我国万吨级以上的膜生物反应器项目有40多座，其在不断地发展中日渐成熟，虽然如此，但膜生物反应器仍存在一些问题，如膜污染造成的高能耗和高成本、设备运维费用高、膜产品的规格不统一、行业标准不完善等等。

　　膜生物反应器研究方向：

　　在未来一段时期，可将膜生物反应器的研究方向集中在如下几个方面：

　　①加大高性能膜材料的研究力度，增强膜的机械强度和化学稳定性，进一步提升其使用年限，降低更换成本;

　　②对膜污染FZ技术进行深入研究，从膜生物反应器污染的机理入手，采取有效的技术措施，降低膜污染所带来的能耗，尽快研究出耐污染性能较高的膜组件。

　　③对预处理工艺的优化方法和途径进行研究，通过预处理，除能够降低膜污染之外，还能降低能耗，有助于确保出水水质的Zyou化

　　生物反应器指以活细胞或酶为生物催化剂进行细胞增殖或生化反应提供适宜环境的设备。其结构、操作方式和操作条件的选定对生物化工产品的质量、收率(转化率)和能耗有密切关系，是生物反应过程中的关键设备。生物反应器广泛应用于生物食品、生物医药、生物化工、生物农药、生物肥料、生物能源、环境保护等领域。

　　生物反应器的主要功能是模拟生物生长或生产的自然环境。

　　在生物反应器主要参数有：通气、光密度、浊度、离子强度、消泡、乳酸、氨等。所有的参数都是根据生物生长阶段需求来确定。实际生产过程中对参数的控制有多种方法。控制参数主要的方法有单层桨搅拌、多层桨搅拌、机械搅拌、磁力搅拌、表层通气、深层通气、半连续培养、连续培养、连续灌注培养等。生物反应器必须满足生物因素、传热因素、监控因素、化学因素、物质快速均匀传递传质、安全因素、操作因素等。

　　酶反应过程用的反应器则称为酶反应器。从生物反应过程说，发酵过程用的反应器称为发酵罐。发酵罐可以分为嫌气酵罐、好气酵罐、污水生物处理装置等。好气发酵罐按其能量输入方式可分为通用式发酵罐、循环泵发酵罐、鼓泡塔式发酵罐。酶反应器可分游离酶和固定化酶反应器两大类。动植物细胞培养装置是一类新型的生物反应器，主要应用于动植物细胞的培养。动植物细胞的培养的培养条件比较苛刻，培养周期比较长。

　　生物反应器具有在常温常压下操作要求能防染菌并且能蒸汽灭菌，制作材质对微生物或酶无毒害;酶常因底物浓度也不能太高，因而反应器体积相当庞大;反应前需接入菌种，为防止杂菌污染和活性衰退，一般采用分批釜式反应器;在发酵过程中，常是气、液、固三相并存，流变学性质复杂，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。

　　因此，生物反应器具有耐受蒸汽灭菌、反应时常是气、液、固三相并存、能防止杂菌污染和活性衰退、常温常压下操作、制作严密无隙

　　通常让目的基因在一定器官或组织中表达的转基因动物称为动物生物反应器。根据表达部位的不同，动物生物反应器主要分为血液生物反应器、乳腺生物反应器、膀胱生物反应器和家禽输卵管生物反应器。

　　目的基因在血液中表达的转基因动物叫做动物血液生物反应器。近年来，动物血液生物反应器取得了很大的进展。由于一些有活性的蛋白或多肽(如激素)、细胞分裂素、组织血纤维溶酶因子等进入动物血液循环系统影响动物的健康，因此血液生物反应器比较适合生产人血红蛋白、血清蛋白、抗体和干扰素等。到目前为止，已有多种通过转基因动物生产的具有生物学功能的人血红蛋白问世。

　　乳腺生物反应器是目前生产外源蛋白Z有效的生物反应器，也是目前国际上唯yi证明可以达到商业化生产水平的生物反应器。其原理是外源基因与乳腺蛋白基因的启动子构建成基因表达载体，使外源基因在乳腺中表达，通过回收乳汁获得重要价值的目的蛋白。

　　由于乳腺固有的优越性使之成为生产YY蛋白的工厂。利用乳腺生物反应器主要生产的是珍贵YY蛋白和营养保健蛋白。这些蛋白可为免疫系统功能不全的人和接受放、化疗病人的辅助ZL提供优良制品。目前通过转基因动物乳腺生物反应器生产的主要生物制品有人乳铁蛋白、人组织型纤溶酶原激活因子、新生血管YZ因子、人血白蛋白等。还可以利用乳腺生物反应器生产饮用乳品，目的是获得既能满足蛋白需要，又能增加抵抗力的品质全面的奶，为人类服务。例如，导入乳铁蛋白基因，以提高乳铁蛋白含量;导入溶酶基因，以降低乳中细菌的含量;导入乳糖酶基因，降低乳中乳糖含量。

　　采用乳腺生物反应器生产YY蛋白质是一种全新的生产模式，它已成为生物技术领域发展的重要方面。乳腺生物反应器的目的基因在乳腺中特异的表达，产物只存在乳汁中，不进入血液循环，对转基因动物本身的生理活动基本不影响。

　　乳腺生物反应器具有能够生产具有完全生物活性的YY蛋白，纯化简单

　　植物生物反应器作为分子医药农业的核心内容，与动物反应器和微生物反应器相比具有操作简便、成本低、规模化、周期短等优势，越来越多地被人们认识和应用。

　　植物生物反应器是生物反应器研究领域中的一大类，是指通过基因工程途径，以常见的农作物作为化学工厂，通过大规模种植生产具有高经济附加值的医用蛋白、工农业用酶、特殊碳水化合物、生物可降解塑料、脂类及其他一些次生代谢产物等生物制剂的方法。

　　植物生物反应器就是利用植物这个系统，包括植物细胞、组织器官以及整株植物为工厂，来生产具有商业价值的生物制品，包括疫苗、抗体、YY蛋白等，许多研究证实植物系统具有表达活性哺乳动物蛋白的能力，在产品质量、成本和安全方面已显现出优势，并很快得到科学家和生物制药业的认可。

　　植物作为生产YY蛋白的生物反应器，为人类提供了一个更加安全和廉价的生产体系，与微生物发酵、动物细胞和转基因动物等生产系统相比，它具有许多潜在的优势。以生物学生产要求很高的疫苗为例，它的优点有：

　　①技术较成熟，成本低廉，使用方便，易于推广;

　　②植物具有完整的真核细胞表达系统，能准确地进行翻译后加工;

　　③无须提取纯化过程，可直接食用免疫;

　　④比传统的免疫途径更有效，植物细胞中的疫苗抗原通过胃内的酸性环境时可受到细胞壁的保护，直接到达肠内黏膜诱导部位，刺激黏膜和全身免疫反应;

　　⑤安全性好，不需要注射器和针头之类的设备，避免了某些血液传播疾病。

　　如果不以整株植物作为生产单位，而是用带有生产目的产物特性的植物细胞或组织作为生产单位，结合植物细胞培养和发酵工程方法，则可以像微生物发酵生产一样大规模工厂化生产目的产物。与人工栽培相比较，这种生产方式具有独特的优点：

　　①节约自然资源，减少对土地资源的占用，同时不受地区、季节、气候等自然条件的影响;

　　②细胞培养个体差异小、试验周期短，便于控制，能

　　生物反应器是指以活细胞或酶为生物催化剂进行细胞增殖或生化反应时，为微生物提供适当的生长条件使微生物能进行生长和新陈代谢的设备，是生物反应过程关键设备。

　　动物细胞体外培养时，生物反应器是整个培养过程的关键设备，为细胞提供了一个适宜的生长环境，使之快速增殖并形成所需的生物组织制品。

　　1、搅拌式生物反应器

　　搅拌式反应器靠搅拌桨提供液相搅拌的动力，它有较大的操作范围、良好的混合性和浓度均匀性，因此在生物反应中被广泛使用。

　　由于动物细胞没有细胞壁的保护，因此对剪切作用十分敏感，直接的机械搅拌很容易对其造成损害，传统的用于微生物的搅拌反应器用作动物细胞的培养显然是不合适的。所以，动物细胞培养中的搅拌式反应器都是经过改进的，包括改进供氧方式、搅拌桨的形式及在反应器内加装辅件等。

　　2、非搅拌式生物反应器

　　搅拌式生物反应器用于动物细胞培养存在的Zda缺点是剪切力大，容易损伤细胞，虽然经过各种改进，这个问题仍很难避免。相比之下，非搅拌式反应器产生的剪切力较小，在动物细胞培养中表现出了较强的优势。

　　①填充床反应器是在反应器中填充一定材质的填充物，供细胞贴壁生长。营养液通过循环灌流的方式提供，并可在循环过程中不断补充。细胞生长所需的氧分也可以在反应器外通过循环的营养液携带，因而不会有气泡伤及细胞。这类反应器剪切力小，适合细胞高密度生长。

　　②中空纤维反应器中空纤维反应器由于剪切力小而广泛用于动物细胞的培养。

　　③气升式生物反应器也是实现动物细胞高密度培养的常用设备之一，其特点是结构简单，操作方便。有人在气升式反应器中利用微载体培养技术，研究了Vero细胞高密度培养的工艺条件。

　　由于植物细胞与微生物细胞形态结构不同，植物细胞较微生物细胞大，对剪切力耐受性差，而且对氧的要求相对微生物要低得多，因此微生物反应器并不完全适合于植物细胞生长与生