| 词条 | 生物反应器 |
| 释义 | § 简介 微生物反应器生物反应器，是指利用酶或生物体（如微生物、动植物细胞）所具有的特殊功能，在体外进行生物化学反应的装置系统。 生物反应器与化学反应器不同，化学反应器从原料进入到产物生成，常常需要加压和加热，是一个高能耗过程。而生物么应器则不同，在酶和微生物的参与下，在常温和常压下就可以进行化学合成。因此，生物反应器问世之后，应受到化工部门的重视。化学工程专家认为，应该尽可能多地让化学合成过程由生物去完成。设计理想的生物反应器，就成了现代生物技术产业的一个重要任务。 设计生物反应器时要考虑两点：一是选择特异性高的酶或适宜的活细胞作为催化剂，尽可能减少副产物，提高产品产量；二是尽可能提高产物的浓度，降低成本。 生物反应器首先在发酵工业中得到应用。发酵工业中使用的生物反应器，实际上是发酵罐。另一种是以固定化酶或固定化细胞为催化剂的酶反应器。世界上最大的发酵罐高达100米，直径7米，容积为4000立方米。它远远望去，犹如一座壮观的圆形塔。 § 分类 膜生物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；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 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。 若以操作方式区分，有分批操作和连续操作两种。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。 生物反应器 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。 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。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，其直径为7m，高为60m，总容量为 2300m，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 20000m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。 酶反应器 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，再卷成螺旋状置于反应器中，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。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。 动植物细胞培养装置 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。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。 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。 § 特点 生物反应器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。 § 动物乳房生物反应器 生物反应器自从基因工程问世以后，人们一直在探索用基因工程方法生产有重要医疗价值而用一般方法又难以大量生产的珍贵蛋白质。最初，被选中的生产体系是用大肠杆菌发酵生产。但是，由于大肠杆菌属于低等生物，不可能生产出结构复杂的蛋白质，所以，用大肠杆菌生产的人蛋白质（或动植物蛋白质），存在着不可克服的缺点。 1992年，英国爱丁堡大学的一个研究组发表一篇报告，宣布他们已生产出6头转基因绵羊。这些绵羊可以在奶中生产抗胰蛋白酶（一种治疗肺胞纤维化病变的多肽药物），产量最低的是1g/L，产量高的可达35g/L。这篇研究报告立即在科学界和企业界引起轰动，许多正在进行相关领域研究的科学家纷纷把注意力转向这一方面。这一重大突破预示着一个以动物乳房为主要生产手段（即乳房反应器系统）的巨大产业将要兴起，预示着许多具有精密发酵设备的高技术企业将被充满田园风光的养牛场和养羊场所取代。这一重大突破将为人类带来巨大的经济和社会效益。 乳房反应器系统的优点 乳房生产系统也叫做乳房反应器系统。同大肠杆菌生产系统相比，动物乳房反应器系统具有很多优点。 第一，动物的基因形式和人类相同，从人类染色体上切下来的任何基因都可以直接转移到动物体内，使分离和克隆基因的手续相对简单一些。 第二，用动物乳房生产外源蛋白质，产量很高。目前在初乳中已达到70g/L，在常乳中达到35g/L。 第三，动物乳腺细胞可以使任何基因正确表达，并正确进行后加工。因此，动物乳腺细胞所生产出来的蛋白质与天然产品在结构上没有区别，活性也没有区别，不论这种蛋白质原来是在垂体细胞中生产的还中在肝脏中生产的。此外，乳房是一个相对独立的系统，血液中的蛋白质有时可以进入奶中，但奶中的蛋白质永远不会进入血液。因此，在乳房中生产的任何蛋白质，即使是生理功能很强的激素类蛋白质，也不会影响动物本身的健康。 第四，乳中的蛋白质种类较少，主要是酪蛋白、乳球蛋白、白蛋白和从血液中扩散而来的少量血清蛋白及免疫球蛋白。因此，提纯重组基因在奶中表达的目标蛋白，相对要容易一些。 第五，用大肠杆菌发酵生产人类蛋白质是一个工业过程，需要精良的设备；而用乳房生产同类产品是一个农业过程，如果不考虑产品提纯，则不需要复杂设备，也不需要素质很高的操作人员。牛、羊吃的是草料，生产的是奶，奶中的珍贵蛋白完全是常规奶的高附加值产品，其生产成本之低没有其他系统可以相比。 第六，用乳房生物反应器生产产品可以对市场做出灵活反应。由于牛、羊体内重组的外源基因是可以遗传给后代的，因此，在市场对产品需求旺盛时可扩大畜群；市场缩小时可以减少畜群头数；需要等待市场时可以用保存精液或胚胎的方法保种，使所受经济损失不大。 第七，作为一种农业生产过程，乳房生物反应器系统可以充分利用可再生产的天然资源，对环境造成的不良影响很轻微。 第八，乳房生物反应器系统除了可以用来生产药物外，也可以用来生产食品和保健品，其他系统则不行。 由此可以看出，乳房乃是迄今为止最理想的生物反应器。 乳房反应器系统的主要用途 乳房反应器系统有以下主要用途。 ①生产多肽类药物。例如，胰岛素、干扰素、促红细胞生成素等。据美国《生物工程》杂志报道，在美国待批的多肽类药物已达100多种，今后每年还会增加40多种。多肽类药物已形成了相当大的市场。 ②生产基因工程疫苗。由于受基因工程载体的容量限制，目前所生产的基因工程疫苗都是以一小段病毒外壳蛋白或细菌膜蛋白作为抗原，其免疫性不如灭活的全病毒或细菌。如果使用乳房生物反应器，就可以生产病毒的完整外壳蛋白，或细菌的免疫决定蛋白质，其效果就会与常规疫苗相同。由于用乳房反应器系统生产的疫苗产量高，其售价也会低于常规疫苗。 ③生产抗体。目前市场上销售的抗体，因产量很小，成本高，只能用于诊断。其实，如果能够大量生产抗体，许多疾病就可以用抗体治疗。用抗体治疗疾病应当比用抗生素效果更好，因为可以真正做到对症下药，而不必担心造成体内微生物失衡或因大量使用抗生素而产生副作用。 ④生产酶制剂。酶制剂分为两大类，第一类是用量很大的工业用酶，如淀粉酶、糖化酶、蛋白酶、酒精脱氢酶等。工业用酶生产特点是需求量大且纯度要求不高，很适合使用乳牛生产。另一类酶是生命科学研究中使用的工具酶，每克售价均在百万元以上。如果用乳房生物反应器生产，一头年产1000kg奶的乳用山羊，可以生产足够全国使用的某一种工具酶。 ⑤生产营养品。首先可以生产的一个产品是无乳糖奶。中国人中不能或难以消化乳糖的人的比例较高，如果能把乳糖酶基因导入奶牛体内，就可以生产无乳糖牛奶，不仅甜度增加，也解决了一部分人不能大量饮用牛奶的问题。其次是在牛奶中增加人的转铁蛋白。国外研究证明，转铁蛋白有良好的营养保健功能，它能够抑制大部分有害的肠胃细菌，但对有益细菌如双歧杆菌起促进作用。第三个开发内容是生产人牛混合奶。人奶对人是最佳的营养品。分离出人奶蛋白基因并把它转移到奶牛中，牛奶中就会有30%~50%人奶的组分。 § 相关词条 超声波震荡器板式压滤机离心分离设备 萃取分离设备高效液相色谱液体输送设备 硅藻土过滤机蒸发设备气体输送设备 § 参考资料 1.http://www.shouxi.net/literature/200408/3107_44730.aspx 2.http://www.douban.com/group/topic/2031074/ |
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