什么是生物反应器?

[拼音]：shengwu fanyingqi

[外文]：bioreactor

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，它是生物反应过程中的关键设备。生物反应器的结构、 *** 作方式和 *** 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。生物反应器的设计、放大是生化反应工程的中心内容，也是生物化学工程的重要组成部分。

从生物反应过程说，发酵过程用的反应器称为发酵罐；酶反应过程用的反应器则称为酶反应器。另一些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。

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。（见彩图）

若以 *** 作方式区分，有分批 *** 作和连续 *** 作两种。前者一般用釜式反应器，后者可用连续搅拌式反应器或管式及塔式反应器。好气发酵罐按其能量输入方式或作用原理区分，可有：

（1）具有机械搅拌器和空气分布器的发酵罐 这类发酵罐（图1）应用最普遍，称为通用式发酵罐。所用的搅拌器一般为使罐内物料产生径向流动的六平叶涡轮搅拌器，它的作用为破碎上升的空气泡和混合罐内的物料。若利用上下都装有蔽板的搅拌叶轮，搅拌时在叶轮中心产生的局部真空，以吸入外界的空气，则称为自吸式机械搅拌发酵罐。

（2）循环泵发酵罐 用离心浆料泵将料液从罐中引出，通过外循环管返入罐内。在循环管顶端再接上液体喷嘴，使之能吸入外界空气的，称喷射自吸发酵罐（图2）。

（3）鼓泡塔式发酵罐 以压缩空气为动力进行液料搅拌，同时进行通气的气升发酵罐(图3)。目前，世界所发展的大型发酵罐是英国卜内门化学工业公司的发酵罐，它以甲醇为原料生产单细胞蛋白的压力循环气升发酵罐（图4），其直径为7m，高为60m，总容量为 2300m3，自上至下有5000～8000个喷嘴进料。目前，还有些发酵产品，如固体曲等，使用专门设计的能调节温、湿度的旋转式固体发酵装置。

生产甲烷（沼气）用的是嫌气发酵罐，也称消化器或沼气发生器，这种发酵罐装有搅拌器，顶部有的有浮顶。

污水生物处理装置中，最简单的是曝气池，装有表面曝气叶轮。为了节省占地面积，开发了一种利用气升式发酵罐原理的深井式污水处理池或大至 20000m3的多循环管式曝气装置。此外，还有生物滤池和生物转盘等装置，把能降解污水中有害物质的菌或原生动物，以生物膜的形式附在填料或转盘上。

可分游离酶及固定化酶反应器两大类。

（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（见反应器）并附有一个能把大分子的酶留在系统内的超滤装置（见超过滤）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 *** 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，再卷成螺旋状置于反应器（图5）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（图6）。在反应中产气(如CO2)严重时，可考虑采用多层酶反应器。采用固定化细胞时的反应器，基本上和固定化酶反应器相同，但在好气培养时要便于空气导入和废气排出。

是一类新型的生物反应器，并且随着重组DNA技术和细胞融合技术等发展会进一步引起人们兴趣。动植物细胞的培养远较微生物的培养困难，主要是动物细胞或植物愈伤组织（植物受创后的新生组织，在离体培养中形成不规则的组织团块）特别娇嫩，培养条件苛刻，培养周期长，杂菌污染的危害性大。

动物细胞无保护性的细胞壁，培养基有血清等天然物质。仅少数动物细胞能悬浮培养，而多数具有工业生产意义的细胞须附着在固体介质上生长和单层培养（即细胞不能相互堆叠），因此要求培养装置有供细胞附着的尽可能大的表面积。简单的装置是能缓慢旋转的转管或转瓶，新型复杂的培养方法是微珠培养法和中空纤维培养法。前者系在培养装置中放入适量粒度为 40～250μm、相对密度与培养液相近的惰性微珠，在培养过程中借搅拌器的作用以悬浮于培养液中，并使动物细胞在其表面增殖。为了避免培养液产生泡沫，不用通常的空气分布器，而将硅橡胶管置于培养装置中，空气中的氧靠分子扩散作用通过管壁渗至培养液中（图7）。这种分布器采用中空纤维管作固体附着物，空气一般从管内通入，氧则通过管壁渗出。(见彩图)

植物细胞培养主要采用悬浮培养法，即将愈伤组织或其他易分散的组织，在温和搅拌情况下分散为游离细胞并使之增殖，以提取其有效物质。

与一般化学过程的反应器相比，其基本原理和结构应是相近的，但有如下特点：

（1）在常温常压下 *** 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。

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