1、新型生物反應器結構班級：生工082 姓名：白山 學號：0813100216生物技術的產業化離不開生物過程的研究 。當一個產品發展到技術和經濟上可行的時候 , 我們就面臨著生物過程的開發 , 而對現有生物反應器的選擇和結合特殊生物反應過程進行生物反應器結構創新是生物過程開發的至關重要的部分 , 它作為生物工程的一部分起著支撐作用 。無論是結合特定生物過程進行生物反應器結構選擇還是進行結構上的創新 , 對現有生物反應器進行總結都是十分必要的 , 它在一定程度上決定了我們選型的正確性和創新的方向性,總結機械攪拌式生物反應器的結構研究進展 。 1 、提升槳生物反應器 隨著雜交瘤細胞培養生產單克隆抗體技

2、術的發展 ,以及基因工程表達載體范圍的不斷擴大 , 對動物細胞進行大規模培養顯得十分必要 , 傳統的機械攪拌式生物反應器雖然在使用的經驗方面 , 在實際的過程應用方面都十分成熟 ,但在動物細胞培養過程中 , 卻面臨著前所未有的挑戰 , 其氣泡分散產生的界面張力和機械攪拌引起旋渦的剪切作用使其在動物細胞培養過程中受到很多限制 , 雖然在培養工藝方面有很多改進措施 ,但從源頭上解決反應器存在的根本問題顯然是各國生物工程學家所共同期望的 。 1990 年 , 美國 NBS 公司推出了細胞提升槳生物反應器 , 結構如圖 1 所示 , 但溶氧傳質系數偏低 , 不適合動物細胞高密度培養 , 隨后Johns

3、on 等 對其溶氧傳質進行了深入的研究 , 分別測定了影響溶氧傳質的各個主要因素 , 包括 : 溫度 , 攪拌 ,通氣 ,從研究的結果來看 , 溫度和攪拌的影響明顯小于通氣的影響 。盡管如此 , 該反應器應用于動物細胞培養的規模性還有待于進一步的研究 。2 、雙圓筒篩攪拌式生物反應器 出于同樣的目的 , 為使動物細胞反應器培養成為現實 , Shi等 于 1992 年從提高溶氧傳質系數的角度出發 , 對現有反應器的結構進行了創新 , 設計了如圖 2所示的反應器 , 該反應器最大的特點在于攪拌裝置上設計了兩個圓桶形篩網 , 從他們的研究結果來看 , 本結構反應器的溶氧傳質系數比細胞提升式生物反應器

4、在水溶液中提高了 19% , 在無培養細胞培養基中提高了21% , 培養的雜交瘤細胞濃度達到 3. 4 × 個 /m l, 單克隆抗體的產量達到 512mg /L。分析其結構認為 : 采用雙篩網 , 增加氣泡與培養液的接觸表面積 , 而促進了溶氧系數的提高 ,因此使得反應器的溶氧傳質系數 , 細胞的濃度 , 產物濃度都大大提高 。 3 、泡床式攪拌生物反應器 盡管如此 , 上述反應器對動物細胞培養的效果還是不能讓人滿意 , 這主要是由于 : ( 1 ) 他們無例外地采用了傳統機械攪拌式生物反應器的部分構件或在流態設計上受到傳統反應器的左右 , 因此不可避免地使反應器內產生強烈的旋渦

5、, 而對細胞產生剪切作用 , 使動物細胞受到損耗 ; ( 2 ) 他們沒能解決由于氣泡在氣液界面分離產生張力而殺死細胞的問題 。基于上述考慮 ,Sucher等于 1994 年設計了如圖 3 所示的反應器 。該反應器在結構方面的創新之處在于采用錐形導流筒與攪拌槳配合使用 ,通過流體流速的控制 , 將氣泡限制在導流筒內 , 從而使大部分氣泡停留在液體中 , 消除了氣泡脫離培養液時產生界面張力破壞細胞 , 另一方面 , 通過培養液不斷地與氣泡接觸而提高了培養液的氧含量 ,雖然本反應器同樣采用了機械攪拌 , 但本反應器中機械攪拌的作用在于促進流體的循環 , 與傳統的機械攪拌式生物反應器相比 , 不產生

6、旋渦 , 而降低了對介質的剪切作用 , 在氣泡分散方面 , 采用中空纖維膜對氣泡進行粉碎 ,從而加強氣液接觸面積 , 促進溶氧傳質系數的提高 。當采用純氧進行通氣時 , 可達到無氣泡輸出培養 。該反應器培養動物細胞的能力已達到轉瓶培的效果 ,可進行動物細胞大規模培養 。4 、脈沖混合式生物反應器80 年代以來動物細胞的微載培養逐漸成為培養貼壁生長細胞的主要方式 , 但用傳統機械攪拌式反應器進行培養時 ,存在微載體與轉動部件沖擊細胞損傷 , 微載體之間沖擊細胞損傷 , 機械密封無菌程度難以維持等缺點 ,采用轉瓶大規模培養時 , 培養液的供氧又受到限制 ,基于上述問題 , 1993 年 Monah

7、an 等根據熱對流傳導系數在傳熱表面震動時數倍提高的現象設計了脈沖式生物反應器 ,其結構如圖 4 所示 , 其最大的特點在于 ,采用脈沖運動的圓板帶動培養液運動 , 而通氣則采用微孔硅膠管 ,氣體在硅膠管內保持一定的壓力 , 培養液在圓板的帶動下不斷沖擊微孔硅膠管 , 使得培養液內溶氧大大提高 。同時 , 采用了脈沖的上下運動部件代替了旋轉攪拌 , 減少了微載體與旋轉機構之間的碰撞 。從他們的研究結果來看 , 按照理論計算 , 該反應器可為濃度為 10 個 /m l 的微載體培養體系提供溶氧 事實上微載體細胞培養系統中 , 因為微載體的加入 , 不但解決了細胞貼壁生長表面的限制問題 , 在很大

8、程度上也提高了細胞對剪切的抵抗力 , 因此適合于非貼壁生長細胞的懸浮培養反應器也同樣滿足微載體細胞培養的需要 。5 、離心槳生物反應器 另一方面傳統機械攪拌式生物反應器因為其使用時間長 , 經驗豐富 , 可保持培養介質一致性 , 應用普遍等特點 , 因此結合生物過程的特殊性 , 利用現有的反應器進行生產是十分經濟合理的 。 1996 年 W ang 等結合生物過程剪切敏感的特點 , 設計了一種新型離心槳生物反應器 , 其基本結構如圖 5 所示 , 其最大的特點在于采用了離心導流筒式攪拌裝置 , 在攪拌槳的作用下 ,基質的流動線路如圖中所示 , 該反應器與細胞提升式生物反應器相比 , 混合時間縮

9、短 , 液體提升能力加強 ,同時 , 對流體流速的分析表明 , 該反應器的剪切作用也比細胞提升式生物反應器低 。因此該反應器可廣泛應用于低剪切作用的生物培養過程中 , 如在植物細胞培養和高等真菌發酵等系統已成功應用 。6 、高密度細胞培養生物反應器為適 應 細 胞高 密 度 培 養 的 需 要 , 1994 年 Suzuki等設計了如圖 6 所示的反應器系統 , 該系統的特點在于 , 采用了兩套功能完全相同的陶瓷過濾系統 。一方面 , 反應器中的培養液被該過濾系統過濾出來 , 攪拌不但促進了從進料罐來的底物在反應器中的混合 , 同時為過濾系統消除了濃差極化 , 促進過濾 , 另一方面 ,氣體經

10、過陶瓷過濾系統以過濾的反方向經過陶瓷孔而進入反應器主體 , 在這個過程中 , 由于氣體的經過 , 陶瓷過濾系統的過濾孔得到清洗 , 同時由于過濾器微孔的分散作用 , 使氣泡得到粉碎 , 在攪拌的作用下 , 與基質混合 ,大大提高了培養液中的溶解氧 , 使得反應中細胞的高密度培養成為可能 。據其報道 , 該反應器內的溶氧傳質系數比普通通氣時提高了 4 倍 , 細胞培養 73小時后濃度達到 207g /L , 比普通的灌注培養體系增加了 2 倍 ,同時由于該反應器在同一個容器中具備了細胞活力大大提高 , 減少了培養物受到污染的可能性 。7、固定化酶攪拌槳反應器 近年來酶作為生物催化劑得到了廣泛的應

11、用 , 與整體細胞做催化劑或與化學工業傳統的催化劑相比 它具有很多方面的優勢 , 如 , 反應底物 、產物單一 , 容易分離 ,副反應少 , 轉化率高 , 選擇性強 , 反應條件溫和 對環境污染少等等 , 但酶本身的一些特點也使其大規模應用受到限制 , 特別是酶的分離純化復雜 , 在反應中流失嚴重 ,酶的輔因子不容易回收等等 , 為克服酶的這些缺陷人們對固定化酶展開了大量的研究 , 其中最關鍵的部分是克服酶固定化活性的降低和促進底物向酶分子 的 擴 散 。基 于 此 , 在 傳 統 反 應 器 的 基 礎 上 ,Lathouder等于 2005 年報道了其設計的固定化酶攪拌槳反應器 , 結構如

12、圖 7 所示 。其特點在于將酶固定之后 ,將載體集中作成圓筒狀 , 以圓筒作為機械攪拌式生物反應器的攪拌槳 。該反應器工作時 , 一方面攪拌槳對整個反應器內的基質進行混合 , 另一方面基質進入圓筒形的攪拌槳中 , 與固定在其中的酶進行接觸 , 自身發生反應 。據其研究結果 , 該反應器能促進基質向酶的擴散 , 轉速對整個酶促反應的影響不大 , 酶的活性比常規固定方法更高 , 活性保存可達數周 。可以預計 ,在這個思路的提示下 , 對攪拌槳稍作改進后 , 我們將得到更加理想的酶反應器 。進而為酶的大規模應用制造良好的條件 。生物反應器設計的目的是為生物反應過程提供良好的反應環境 ,生物反應過程是多種多樣的 , 既有工業微生物過程 , 又有動植物細胞過程 , 還包括藻類過程 、酶反應過程 、污水處理過程 , 這些過程對反