设备作业新型生物反应器

1、新型生物反应器结构班级：生工082 姓名：白山 学号：0813100216生物技术的产业化离不开生物过程的研究 。当一个产品发展到技术和经济上可行的时候 , 我们就面临着生物过程的开发 , 而对现有生物反应器的选择和结合特殊生物反应过程进行生物反应器结构创新是生物过程开发的至关重要的部分 , 它作为生物工程的一部分起着支撑作用 。无论是结合特定生物过程进行生物反应器结构选择还是进行结构上的创新 , 对现有生物反应器进行总结都是十分必要的 , 它在一定程度上决定了我们选型的正确性和创新的方向性,总结机械搅拌式生物反应器的结构研究进展 。 1 、提升桨生物反应器 随着杂交瘤细胞培养生产单克隆抗体技

2、术的发展 ,以及基因工程表达载体范围的不断扩大 , 对动物细胞进行大规模培养显得十分必要 , 传统的机械搅拌式生物反应器虽然在使用的经验方面 , 在实际的过程应用方面都十分成熟 ,但在动物细胞培养过程中 , 却面临着前所未有的挑战 , 其气泡分散产生的界面张力和机械搅拌引起旋涡的剪切作用使其在动物细胞培养过程中受到很多限制 , 虽然在培养工艺方面有很多改进措施 ,但从源头上解决反应器存在的根本问题显然是各国生物工程学家所共同期望的 。 1990 年 , 美国 NBS 公司推出了细胞提升桨生物反应器 , 结构如图 1 所示 , 但溶氧传质系数偏低 , 不适合动物细胞高密度培养 , 随后Johns

3、on 等 对其溶氧传质进行了深入的研究 , 分别测定了影响溶氧传质的各个主要因素 , 包括 : 温度 , 搅拌 ,通气 ,从研究的结果来看 , 温度和搅拌的影响明显小于通气的影响 。尽管如此 , 该反应器应用于动物细胞培养的规模性还有待于进一步的研究 。2 、双圆筒筛搅拌式生物反应器 出于同样的目的 , 为使动物细胞反应器培养成为现实 , Shi等 于 1992 年从提高溶氧传质系数的角度出发 , 对现有反应器的结构进行了创新 , 设计了如图 2所示的反应器 , 该反应器最大的特点在于搅拌装置上设计了两个圆桶形筛网 , 从他们的研究结果来看 , 本结构反应器的溶氧传质系数比细胞提升式生物反应器

4、在水溶液中提高了 19% , 在无培养细胞培养基中提高了21% , 培养的杂交瘤细胞浓度达到 3. 4 × 个 /m l, 单克隆抗体的产量达到 512mg /L。分析其结构认为 : 采用双筛网 , 增加气泡与培养液的接触表面积 , 而促进了溶氧系数的提高 ,因此使得反应器的溶氧传质系数 , 细胞的浓度 , 产物浓度都大大提高 。 3 、泡床式搅拌生物反应器 尽管如此 , 上述反应器对动物细胞培养的效果还是不能让人满意 , 这主要是由于 : ( 1 ) 他们无例外地采用了传统机械搅拌式生物反应器的部分构件或在流态设计上受到传统反应器的左右 , 因此不可避免地使反应器内产生强烈的旋涡

5、, 而对细胞产生剪切作用 , 使动物细胞受到损耗 ; ( 2 ) 他们没能解决由于气泡在气液界面分离产生张力而杀死细胞的问题 。基于上述考虑 ,Sucher等于 1994 年设计了如图 3 所示的反应器 。该反应器在结构方面的创新之处在于采用锥形导流筒与搅拌桨配合使用 ,通过流体流速的控制 , 将气泡限制在导流筒内 , 从而使大部分气泡停留在液体中 , 消除了气泡脱离培养液时产生界面张力破坏细胞 , 另一方面 , 通过培养液不断地与气泡接触而提高了培养液的氧含量 ,虽然本反应器同样采用了机械搅拌 , 但本反应器中机械搅拌的作用在于促进流体的循环 , 与传统的机械搅拌式生物反应器相比 , 不产生

6、旋涡 , 而降低了对介质的剪切作用 , 在气泡分散方面 , 采用中空纤维膜对气泡进行粉碎 ,从而加强气液接触面积 , 促进溶氧传质系数的提高 。当采用纯氧进行通气时 , 可达到无气泡输出培养 。该反应器培养动物细胞的能力已达到转瓶培的效果 ,可进行动物细胞大规模培养 。4 、脉冲混合式生物反应器80 年代以来动物细胞的微载培养逐渐成为培养贴壁生长细胞的主要方式 , 但用传统机械搅拌式反应器进行培养时 ,存在微载体与转动部件冲击细胞损伤 , 微载体之间冲击细胞损伤 , 机械密封无菌程度难以维持等缺点 ,采用转瓶大规模培养时 , 培养液的供氧又受到限制 ,基于上述问题 , 1993 年 Monah

7、an 等根据热对流传导系数在传热表面震动时数倍提高的现象设计了脉冲式生物反应器 ,其结构如图 4 所示 , 其最大的特点在于 ,采用脉冲运动的圆板带动培养液运动 , 而通气则采用微孔硅胶管 ,气体在硅胶管内保持一定的压力 , 培养液在圆板的带动下不断冲击微孔硅胶管 , 使得培养液内溶氧大大提高 。同时 , 采用了脉冲的上下运动部件代替了旋转搅拌 , 减少了微载体与旋转机构之间的碰撞 。从他们的研究结果来看 , 按照理论计算 , 该反应器可为浓度为 10 个 /m l 的微载体培养体系提供溶氧 事实上微载体细胞培养系统中 , 因为微载体的加入 , 不但解决了细胞贴壁生长表面的限制问题 , 在很大

8、程度上也提高了细胞对剪切的抵抗力 , 因此适合于非贴壁生长细胞的悬浮培养反应器也同样满足微载体细胞培养的需要 。5 、离心桨生物反应器 另一方面传统机械搅拌式生物反应器因为其使用时间长 , 经验丰富 , 可保持培养介质一致性 , 应用普遍等特点 , 因此结合生物过程的特殊性 , 利用现有的反应器进行生产是十分经济合理的 。 1996 年 W ang 等结合生物过程剪切敏感的特点 , 设计了一种新型离心桨生物反应器 , 其基本结构如图 5 所示 , 其最大的特点在于采用了离心导流筒式搅拌装置 , 在搅拌桨的作用下 ,基质的流动线路如图中所示 , 该反应器与细胞提升式生物反应器相比 , 混合时间缩

9、短 , 液体提升能力加强 ,同时 , 对流体流速的分析表明 , 该反应器的剪切作用也比细胞提升式生物反应器低 。因此该反应器可广泛应用于低剪切作用的生物培养过程中 , 如在植物细胞培养和高等真菌发酵等系统已成功应用 。6 、高密度细胞培养生物反应器为适 应 细 胞高 密 度 培 养 的 需 要 , 1994 年 Suzuki等设计了如图 6 所示的反应器系统 , 该系统的特点在于 , 采用了两套功能完全相同的陶瓷过滤系统 。一方面 , 反应器中的培养液被该过滤系统过滤出来 , 搅拌不但促进了从进料罐来的底物在反应器中的混合 , 同时为过滤系统消除了浓差极化 , 促进过滤 , 另一方面 ,气体经

10、过陶瓷过滤系统以过滤的反方向经过陶瓷孔而进入反应器主体 , 在这个过程中 , 由于气体的经过 , 陶瓷过滤系统的过滤孔得到清洗 , 同时由于过滤器微孔的分散作用 , 使气泡得到粉碎 , 在搅拌的作用下 , 与基质混合 ,大大提高了培养液中的溶解氧 , 使得反应中细胞的高密度培养成为可能 。据其报道 , 该反应器内的溶氧传质系数比普通通气时提高了 4 倍 , 细胞培养 73小时后浓度达到 207g /L , 比普通的灌注培养体系增加了 2 倍 ,同时由于该反应器在同一个容器中具备了细胞活力大大提高 , 减少了培养物受到污染的可能性 。7、固定化酶搅拌桨反应器 近年来酶作为生物催化剂得到了广泛的应

11、用 , 与整体细胞做催化剂或与化学工业传统的催化剂相比 它具有很多方面的优势 , 如 , 反应底物 、产物单一 , 容易分离 ,副反应少 , 转化率高 , 选择性强 , 反应条件温和 对环境污染少等等 , 但酶本身的一些特点也使其大规模应用受到限制 , 特别是酶的分离纯化复杂 , 在反应中流失严重 ,酶的辅因子不容易回收等等 , 为克服酶的这些缺陷人们对固定化酶展开了大量的研究 , 其中最关键的部分是克服酶固定化活性的降低和促进底物向酶分子 的 扩 散 。基 于 此 , 在 传 统 反 应 器 的 基 础 上 ,Lathouder等于 2005 年报道了其设计的固定化酶搅拌桨反应器 , 结构如

12、图 7 所示 。其特点在于将酶固定之后 ,将载体集中作成圆筒状 , 以圆筒作为机械搅拌式生物反应器的搅拌桨 。该反应器工作时 , 一方面搅拌桨对整个反应器内的基质进行混合 , 另一方面基质进入圆筒形的搅拌桨中 , 与固定在其中的酶进行接触 , 自身发生反应 。据其研究结果 , 该反应器能促进基质向酶的扩散 , 转速对整个酶促反应的影响不大 , 酶的活性比常规固定方法更高 , 活性保存可达数周 。可以预计 ,在这个思路的提示下 , 对搅拌桨稍作改进后 , 我们将得到更加理想的酶反应器 。进而为酶的大规模应用制造良好的条件 。生物反应器设计的目的是为生物反应过程提供良好的反应环境 ,生物反应过程是多种多样的 , 既有工业微生物过程 , 又有动植物细胞过程 , 还包括藻类过程 、酶反应过程 、污水处理过程 , 这些过程对反