生物反应器研究与应用新进展

SPECIALFEATURE生物反应器研究与应用新进展游文娟　陈大明　江洪波（中国科学院上海生命科学信息中心，上海，200031）dio:10.3969/j.issn.1674-0319.2009.04.005生物反应器（bioreactor）是利用酶或生物体（如微生物）所具有的生物功能，在体外进行生化反应的装置系统，其设计、放大是生化反应工程的中心内容。从反应过程上看，生物反应器根据培养对象的不同可分为以下几种。①微生物反应器和酶反应器。微生物反应器是生产中最基本也是最主要的设备，其作用就是按照发酵过程的工艺要求，保证和控制各种生化反应条件，如温度、压力、供氧量、密封防漏、防止染菌等，促进微生物的新陈代谢，使之能在低消耗下获得较高的产量。酶反应器可分游离酶及固定化酶反应器两大类。②细胞生物反应器。动物细胞或植物愈伤组织培养条件苛刻，培养周期长，杂菌污染的危害性大，因此动植物细胞反应器的设计远较微生物反应器复杂。③转基因动植物生物反应器。目前，动物生物反应器中研究与应用较多的是乳腺生物反应器，该类反应器基于转基因技术平台，使外源基因导入动物基因组中并定位表达于动物乳腺，利用动物乳腺天然、高效合成并分泌蛋白质的能力，在动物的乳汁中生产一些具有重要价值的产品。植物生物反应器主要是指利用转基因植物来生产蛋白质和次生代谢产物等工程产品。1　生物反应器的研究与应用概述1.1　微生物反应器和酶反应器的研究与应用概述微生物反应器和酶反应器发展至今，已经形成了多种类型：在操作方式上，间歇式、连续式和半间歇式均已得到研究和应用；在反应器结构特征上，目前已发展了釜/罐式、管式、塔式、膜式等类型；在能量的输入方式上，目前已发展了通过机械搅拌输入能量的机械搅拌式、利用气体喷射动能的气升式和利用泵对液体的喷射作用而使液体循环的生物反应器等；在生物催化剂在反应器中的分布方式上，目前已发展了生物团块反应器和生物膜反应器，其中生物团块反应器根据催化剂相态的不同又发展了填充床、流化床、生物转盘等多种型式的生物反应器；在反应器内的流动和混合状态上，目前生物反应器已发展至全混流型生物反应器和活塞流型生物反应器。微生物反应器的研究和开发需要经历三个阶段：①实验室阶段——微生物的筛选和培养基的研究，在摇瓶培养或1～3L反应器中进行；②中试阶段——5～500L规模小型反应器，环境因素最佳操作条件研究；③工厂化规模生产——实验生产至商业化生产，提供产品并获得经济效益。酶反应器和下述的细胞生物反应器研究也同样需要经历实验室阶段、中试阶段和规模生产阶段。在三个阶段中，尽管生物反应过程相同，但规模的不同使反应溶液的混合状态、传质与传热速率等不尽相同，如何让微生物、酶、细胞充分与外界接触并完成生化过程，达到足够高的反应效率，在工艺上都会有许多新的困难。反应器类型的多样性和工艺的复杂性一方面提高了反应器研究和应用的难①参考文献DeckerEL,ReskiR.Currentachievementsintheproductionofcomplexbiopharmaceuticalswithmossbioreactors.Bioprocessandblosytemsengineering,2008,31(1):3-9.②参考文献魏源送,郑祥,刘俊新.国外膜生物反应器在污水处理中的研究进展.工业水处理,2003,23(1):1-5.③参考文献WangZW,WuZC,MaiSH,etal.ResearchandapplicationsofmembranebioreactorsinChina:Progressandprospect.Separationandpurificationtechnology,2008,62(2):249-263.④参考文献QureshiN,AnnousBA,EzejiTC,etal.Biofilmreactorsforindustrialbioconversionprocesses:employingpotentialofenhancedreactionrates.Microbialcellfactories,2005,4:24.⑤参考文献YetilmezsoyK,IlhanF,Sapci-ZenginZ,etal.DecolorizationandCODreductionofUASBpretreatedpoultrymanurewastewaterbyelectrocoagulationprocess:Apost-treatmentstudy.Journalofhazardousmaterials,2009,162(1):120-132.⑥参考文献YetilmezsoyK,SakarS.DevelopmentofempiricalmodelsforperformanceevaluationofUASBreactorstreatingpoultrymanurewastewaterunderdifferentoperationalconditions.Journalofhazardousmaterials,2008,153(1-2):532-543.⑦参考文献YetilmezsoyK,SakarS.ImprovementofCODandcolorremovalfromUASBtreatedpoultrymanurewastewaterusingFenton'soxidation.Journalofhazardousmaterials,2008,151(2-3):547-558.作者简介游文娟，中国科学院上海生命科学信息中心助理馆员，主要从事生命科学及其相关学科领域情报研究。E-mail：[e-mail]60生物产业技术2009.04(7月).专题报道生物反应器研究与应用新进展度，另一方面也给生物反应器的研究和发展带来了巨大的空间。例如，近年来，膜生物反应器在污水处理中的研究和应用不断发展。1.2　动植物细胞生物反应器的研究与应用概述大规模的动物细胞培养开始于20世纪50年代，目前人类对动物细胞培养技术进行了大量的研究开发，取得了很大的进展。总体上看，只有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需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，同时也意味着动物细胞生物反应器的设计较为严格。以组织工程为例，除了种子细胞的特性及需求外，生物反应器的设计应便于培养液的均匀混合，提高比表面积，并提供精确的控制，使各营养成分和培养液的pH值梯度尽量减小，这种动态培养的方式是为了使支架（即组织块）内的氧及营养物质传递更充分，代谢产物更容易排出，细胞表型表达更充分。培养液混合方式应使剪应力对细胞的损伤降到最低。若为干细胞分化之大量培养，必须注意精确控制干细胞在不同的分化阶段所需的不同生长因子浓度。因此，目前研究者已经发展了多种组织工程用生物反应器，包括搅拌式、滚筒式、中空纤维式、灌流式和施加机械力式。搅拌式生物反应器剪应力大、传质强，适用组织种类包括皮肤、软骨，可提供的培养方式包括贴壁、悬浮、微载体；滚筒式生物反应器剪应力很小、传质弱，适用组织种类包括心血管、软骨，可提供的培养方式包括悬浮、微载体、三维支架材料；中空纤维式生物反应器剪应力小、传质中等，适用组织种类包括胰岛、肝、肾细胞，可提供的培养方式包括贴壁、悬浮、微载体、三维支架材料、中空纤维管；灌流式生物反应器剪应力中等、传质强，适用组织种类包括骨骼组织，可提供的培养方式包括悬浮、微载体、三维支架材料；施加机械力式生物反应器剪应力较大、传质中等，适用组织种类包括软骨组织，可提供的培养方式包括三维支架材料。动物细胞生物反应器在生物制药等领域中的应用前景广阔，参见表1。植物细胞培养具有周期长、细胞抗剪切能力弱、易聚团等特点。同时，植物细胞规模培养的目的是生产天然产物，而这些天然产物均为细胞次生代谢物。所以，植物细胞培养反应器的设计，不仅要考虑有利于细胞生长，同时还要考虑有利于产物的积累和分离。总体上讲，适合植物细胞的反应器应该具有适宜的氧传递、良好的流动性和较低的剪切力。根据不同植物细胞生长和代谢产物积累的特点，目前已研究设计出多种类型的反应器用于植物细胞培养。其中，在悬浮培养生物反应器中分为机械搅拌生物反应器和非机械搅拌生物反应器，后者中常用的是气体搅拌生物反应器，包括鼓泡塔和气升式反应器等。固定化细胞表1　动物细胞生物反应器的应用领域举例疫苗单克隆抗体免疫调节剂酶激素人用动物用　小儿麻痹症疫苗、狂犬疫苗、风疹疫苗、脑炎疫苗、疱疹疫苗等　牛病毒性腹泻疫苗、牛痢疾疫苗、犬传染性肝炎疫苗、鸡痘病疫苗、猪霍乱疫苗、牛疫狂犬疫苗、草鱼出血热疫苗　IgG、IgM、IgA等　b-细胞生长因子、干扰素、白细胞活化因子、血清胸腺因子、白细胞介素、胸腺素、巨噬细胞毒力因子等　尿激酶、天冬氨酰胺酶、胶原酶、细胞色素P450、纤维蛋白溶酶原激活剂、胃蛋白酶、胰蛋白酶、酪氨酸脱羟酶等　绒毛膜促性腺激素、促红细胞生成素、促滤泡激素、生长激素、促间质细胞激素、促黄体激素等⑧参考文献SakarS,YetilmezsoyK,KocakE.Anaerobicdigestiontechnologyinpoultryandlivestockwastetreatment-aliteraturereview.Wastemanagement&research,2009,27(1):3-18.⑨参考文献FallgrenPH,JinS.Biodegradationofpetroleumcompoundsinsoilbyasolid-phasecirculatingbioreactorwithpoultrymanureamendments.Journalofenvironmentalscienceandhealthparta-toxic/hazardoussubstances&environmentalengineering,2008,43(2):125-131.⑩参考文献WichernM,LübkenM,HornH.OptimizingSBRreactoroperationfortreatmentofdairywastewaterwithaerobicgranularsludge.WaterScienceandTechnology,2008:58(6):1199-1206.参考文献WalkerM,BanksCJ,HeavenS.Developmentofacoarsemembranebioreactorfortwo-stageanaerobicdigestionofbiodegradablemunicipalsolidwaste.WaterScienceTechnology,2009,59(4):729-735.参考文献VyridesaI,StuckeyDC.Salinesewagetreatmentusingasubmergedanaerobicmembranereactor(SAMBR):Effectsofactivatedcarbonadditionandbiogas-spargingtime.WaterResearch,2009,43(4):933-942.参考文献ThecompaniesinMBR-DatabaseofMBR-Network.生物产业技术2009.04(7月).生物反应器则包括填充床生物反应器、流化床生物反应器和膜生物反应器。此外，许多植物细胞培养过程中需要光照，往往考虑在普通反应器基础上增加光照系统，因此近年来光生物反应器也得到了深入研究。植物细胞生物反应器的应用前景广阔。例如，采用植物生物反应器技术替代传统组培快繁已成为必然趋势。自20世纪90年