設(shè)備作業(yè)--新型生物反應(yīng)器

1、新型生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)班級(jí)：生工082 姓名：白山 學(xué)號(hào)：0813100216生物技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化離不開(kāi)生物過(guò)程的研究 。當(dāng)一個(gè)產(chǎn)品發(fā)展到技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上可行的時(shí)候 , 我們就面臨著生物過(guò)程的開(kāi)發(fā) , 而對(duì)現(xiàn)有生物反應(yīng)器的選擇和結(jié)合特殊生物反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)創(chuàng)新是生物過(guò)程開(kāi)發(fā)的至關(guān)重要的部分 , 它作為生物工程的一部分起著支撐作用 。無(wú)論是結(jié)合特定生物過(guò)程進(jìn)行生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)選擇還是進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新 , 對(duì)現(xiàn)有生物反應(yīng)器進(jìn)行總結(jié)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(chuàng)新的方向性,總結(jié)機(jī)械攪拌式生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展 。 1 、提升槳生物反應(yīng)器 隨著雜交瘤細(xì)胞培養(yǎng)生產(chǎn)單克隆抗體技

2、術(shù)的發(fā)展 ,以及基因工程表達(dá)載體范圍的不斷擴(kuò)大 , 對(duì)動(dòng)物細(xì)胞進(jìn)行大規(guī)模培養(yǎng)顯得十分必要 , 傳統(tǒng)的機(jī)械攪拌式生物反應(yīng)器雖然在使用的經(jīng)驗(yàn)方面 , 在實(shí)際的過(guò)程應(yīng)用方面都十分成熟 ,但在動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程中 , 卻面臨著前所未有的挑戰(zhàn) , 其氣泡分散產(chǎn)生的界面張力和機(jī)械攪拌引起旋渦的剪切作用使其在動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程中受到很多限制 , 雖然在培養(yǎng)工藝方面有很多改進(jìn)措施 ,但從源頭上解決反應(yīng)器存在的根本問(wèn)題顯然是各國(guó)生物工程學(xué)家所共同期望的 。 1990 年 , 美國(guó) NBS 公司推出了細(xì)胞提升槳生物反應(yīng)器 , 結(jié)構(gòu)如圖 1 所示 , 但溶氧傳質(zhì)系數(shù)偏低 , 不適合動(dòng)物細(xì)胞高密度培養(yǎng) , 隨后Johns

3、on 等 對(duì)其溶氧傳質(zhì)進(jìn)行了深入的研究 , 分別測(cè)定了影響溶氧傳質(zhì)的各個(gè)主要因素 , 包括 : 溫度 , 攪拌 ,通氣 ,從研究的結(jié)果來(lái)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(yīng)器應(yīng)用于動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)的規(guī)模性還有待于進(jìn)一步的研究 。2 、雙圓筒篩攪拌式生物反應(yīng)器 出于同樣的目的 , 為使動(dòng)物細(xì)胞反應(yīng)器培養(yǎng)成為現(xiàn)實(shí) , Shi等 于 1992 年從提高溶氧傳質(zhì)系數(shù)的角度出發(fā) , 對(duì)現(xiàn)有反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了創(chuàng)新 , 設(shè)計(jì)了如圖 2所示的反應(yīng)器 , 該反應(yīng)器最大的特點(diǎn)在于攪拌裝置上設(shè)計(jì)了兩個(gè)圓桶形篩網(wǎng) , 從他們的研究結(jié)果來(lái)看 , 本結(jié)構(gòu)反應(yīng)器的溶氧傳質(zhì)系數(shù)比細(xì)胞提升式生物反應(yīng)器

4、在水溶液中提高了 19% , 在無(wú)培養(yǎng)細(xì)胞培養(yǎng)基中提高了21% , 培養(yǎng)的雜交瘤細(xì)胞濃度達(dá)到 3. 4 × 個(gè) /m l, 單克隆抗體的產(chǎn)量達(dá)到 512mg /L。分析其結(jié)構(gòu)認(rèn)為 : 采用雙篩網(wǎng) , 增加氣泡與培養(yǎng)液的接觸表面積 , 而促進(jìn)了溶氧系數(shù)的提高 ,因此使得反應(yīng)器的溶氧傳質(zhì)系數(shù) , 細(xì)胞的濃度 , 產(chǎn)物濃度都大大提高 。 3 、泡床式攪拌生物反應(yīng)器 盡管如此 , 上述反應(yīng)器對(duì)動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)的效果還是不能讓人滿意 , 這主要是由于 : ( 1 ) 他們無(wú)例外地采用了傳統(tǒng)機(jī)械攪拌式生物反應(yīng)器的部分構(gòu)件或在流態(tài)設(shè)計(jì)上受到傳統(tǒng)反應(yīng)器的左右 , 因此不可避免地使反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的旋渦

5、, 而對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生剪切作用 , 使動(dòng)物細(xì)胞受到損耗 ; ( 2 ) 他們沒(méi)能解決由于氣泡在氣液界面分離產(chǎn)生張力而殺死細(xì)胞的問(wèn)題 ?；谏鲜隹紤] ,Sucher等于 1994 年設(shè)計(jì)了如圖 3 所示的反應(yīng)器 。該反應(yīng)器在結(jié)構(gòu)方面的創(chuàng)新之處在于采用錐形導(dǎo)流筒與攪拌槳配合使用 ,通過(guò)流體流速的控制 , 將氣泡限制在導(dǎo)流筒內(nèi) , 從而使大部分氣泡停留在液體中 , 消除了氣泡脫離培養(yǎng)液時(shí)產(chǎn)生界面張力破壞細(xì)胞 , 另一方面 , 通過(guò)培養(yǎng)液不斷地與氣泡接觸而提高了培養(yǎng)液的氧含量 ,雖然本反應(yīng)器同樣采用了機(jī)械攪拌 , 但本反應(yīng)器中機(jī)械攪拌的作用在于促進(jìn)流體的循環(huán) , 與傳統(tǒng)的機(jī)械攪拌式生物反應(yīng)器相比 , 不產(chǎn)生

6、旋渦 , 而降低了對(duì)介質(zhì)的剪切作用 , 在氣泡分散方面 , 采用中空纖維膜對(duì)氣泡進(jìn)行粉碎 ,從而加強(qiáng)氣液接觸面積 , 促進(jìn)溶氧傳質(zhì)系數(shù)的提高 。當(dāng)采用純氧進(jìn)行通氣時(shí) , 可達(dá)到無(wú)氣泡輸出培養(yǎng) 。該反應(yīng)器培養(yǎng)動(dòng)物細(xì)胞的能力已達(dá)到轉(zhuǎn)瓶培的效果 ,可進(jìn)行動(dòng)物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng) 。4 、脈沖混合式生物反應(yīng)器80 年代以來(lái)動(dòng)物細(xì)胞的微載培養(yǎng)逐漸成為培養(yǎng)貼壁生長(zhǎng)細(xì)胞的主要方式 , 但用傳統(tǒng)機(jī)械攪拌式反應(yīng)器進(jìn)行培養(yǎng)時(shí) ,存在微載體與轉(zhuǎn)動(dòng)部件沖擊細(xì)胞損傷 , 微載體之間沖擊細(xì)胞損傷 , 機(jī)械密封無(wú)菌程度難以維持等缺點(diǎn) ,采用轉(zhuǎn)瓶大規(guī)模培養(yǎng)時(shí) , 培養(yǎng)液的供氧又受到限制 ,基于上述問(wèn)題 , 1993 年 Monah

7、an 等根據(jù)熱對(duì)流傳導(dǎo)系數(shù)在傳熱表面震動(dòng)時(shí)數(shù)倍提高的現(xiàn)象設(shè)計(jì)了脈沖式生物反應(yīng)器 ,其結(jié)構(gòu)如圖 4 所示 , 其最大的特點(diǎn)在于 ,采用脈沖運(yùn)動(dòng)的圓板帶動(dòng)培養(yǎng)液運(yùn)動(dòng) , 而通氣則采用微孔硅膠管 ,氣體在硅膠管內(nèi)保持一定的壓力 , 培養(yǎng)液在圓板的帶動(dòng)下不斷沖擊微孔硅膠管 , 使得培養(yǎng)液內(nèi)溶氧大大提高 。同時(shí) , 采用了脈沖的上下運(yùn)動(dòng)部件代替了旋轉(zhuǎn)攪拌 , 減少了微載體與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)之間的碰撞 。從他們的研究結(jié)果來(lái)看 , 按照理論計(jì)算 , 該反應(yīng)器可為濃度為 10 個(gè) /m l 的微載體培養(yǎng)體系提供溶氧 事實(shí)上微載體細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)中 , 因?yàn)槲⑤d體的加入 , 不但解決了細(xì)胞貼壁生長(zhǎng)表面的限制問(wèn)題 , 在很大

8、程度上也提高了細(xì)胞對(duì)剪切的抵抗力 , 因此適合于非貼壁生長(zhǎng)細(xì)胞的懸浮培養(yǎng)反應(yīng)器也同樣滿足微載體細(xì)胞培養(yǎng)的需要 。5 、離心槳生物反應(yīng)器 另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械攪拌式生物反應(yīng)器因?yàn)槠涫褂脮r(shí)間長(zhǎng) , 經(jīng)驗(yàn)豐富 , 可保持培養(yǎng)介質(zhì)一致性 , 應(yīng)用普遍等特點(diǎn) , 因此結(jié)合生物過(guò)程的特殊性 , 利用現(xiàn)有的反應(yīng)器進(jìn)行生產(chǎn)是十分經(jīng)濟(jì)合理的 。 1996 年 W ang 等結(jié)合生物過(guò)程剪切敏感的特點(diǎn) , 設(shè)計(jì)了一種新型離心槳生物反應(yīng)器 , 其基本結(jié)構(gòu)如圖 5 所示 , 其最大的特點(diǎn)在于采用了離心導(dǎo)流筒式攪拌裝置 , 在攪拌槳的作用下 ,基質(zhì)的流動(dòng)線路如圖中所示 , 該反應(yīng)器與細(xì)胞提升式生物反應(yīng)器相比 , 混合時(shí)間縮

9、短 , 液體提升能力加強(qiáng) ,同時(shí) , 對(duì)流體流速的分析表明 , 該反應(yīng)器的剪切作用也比細(xì)胞提升式生物反應(yīng)器低 。因此該反應(yīng)器可廣泛應(yīng)用于低剪切作用的生物培養(yǎng)過(guò)程中 , 如在植物細(xì)胞培養(yǎng)和高等真菌發(fā)酵等系統(tǒng)已成功應(yīng)用 。6 、高密度細(xì)胞培養(yǎng)生物反應(yīng)器為適 應(yīng) 細(xì) 胞高 密 度 培 養(yǎng) 的 需 要 , 1994 年 Suzuki等設(shè)計(jì)了如圖 6 所示的反應(yīng)器系統(tǒng) , 該系統(tǒng)的特點(diǎn)在于 , 采用了兩套功能完全相同的陶瓷過(guò)濾系統(tǒng) 。一方面 , 反應(yīng)器中的培養(yǎng)液被該過(guò)濾系統(tǒng)過(guò)濾出來(lái) , 攪拌不但促進(jìn)了從進(jìn)料罐來(lái)的底物在反應(yīng)器中的混合 , 同時(shí)為過(guò)濾系統(tǒng)消除了濃差極化 , 促進(jìn)過(guò)濾 , 另一方面 ,氣體經(jīng)

10、過(guò)陶瓷過(guò)濾系統(tǒng)以過(guò)濾的反方向經(jīng)過(guò)陶瓷孔而進(jìn)入反應(yīng)器主體 , 在這個(gè)過(guò)程中 , 由于氣體的經(jīng)過(guò) , 陶瓷過(guò)濾系統(tǒng)的過(guò)濾孔得到清洗 , 同時(shí)由于過(guò)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(zhì)混合 ,大大提高了培養(yǎng)液中的溶解氧 , 使得反應(yīng)中細(xì)胞的高密度培養(yǎng)成為可能 。據(jù)其報(bào)道 , 該反應(yīng)器內(nèi)的溶氧傳質(zhì)系數(shù)比普通通氣時(shí)提高了 4 倍 , 細(xì)胞培養(yǎng) 73小時(shí)后濃度達(dá)到 207g /L , 比普通的灌注培養(yǎng)體系增加了 2 倍 ,同時(shí)由于該反應(yīng)器在同一個(gè)容器中具備了細(xì)胞活力大大提高 , 減少了培養(yǎng)物受到污染的可能性 。7、固定化酶攪拌槳反應(yīng)器 近年來(lái)酶作為生物催化劑得到了廣泛的應(yīng)

11、用 , 與整體細(xì)胞做催化劑或與化學(xué)工業(yè)傳統(tǒng)的催化劑相比 它具有很多方面的優(yōu)勢(shì) , 如 , 反應(yīng)底物 、產(chǎn)物單一 , 容易分離 ,副反應(yīng)少 , 轉(zhuǎn)化率高 , 選擇性強(qiáng) , 反應(yīng)條件溫和 對(duì)環(huán)境污染少等等 , 但酶本身的一些特點(diǎn)也使其大規(guī)模應(yīng)用受到限制 , 特別是酶的分離純化復(fù)雜 , 在反應(yīng)中流失嚴(yán)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(duì)固定化酶展開(kāi)了大量的研究 , 其中最關(guān)鍵的部分是克服酶固定化活性的降低和促進(jìn)底物向酶分子 的 擴(kuò) 散 。基 于 此 , 在 傳 統(tǒng) 反 應(yīng) 器 的 基 礎(chǔ) 上 ,Lathouder等于 2005 年報(bào)道了其設(shè)計(jì)的固定化酶攪拌槳反應(yīng)器 , 結(jié)構(gòu)如

12、圖 7 所示 。其特點(diǎn)在于將酶固定之后 ,將載體集中作成圓筒狀 , 以圓筒作為機(jī)械攪拌式生物反應(yīng)器的攪拌槳 。該反應(yīng)器工作時(shí) , 一方面攪拌槳對(duì)整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)的基質(zhì)進(jìn)行混合 , 另一方面基質(zhì)進(jìn)入圓筒形的攪拌槳中 , 與固定在其中的酶進(jìn)行接觸 , 自身發(fā)生反應(yīng) 。據(jù)其研究結(jié)果 , 該反應(yīng)器能促進(jìn)基質(zhì)向酶的擴(kuò)散 , 轉(zhuǎn)速對(duì)整個(gè)酶促反應(yīng)的影響不大 , 酶的活性比常規(guī)固定方法更高 , 活性保存可達(dá)數(shù)周 。可以預(yù)計(jì) ,在這個(gè)思路的提示下 , 對(duì)攪拌槳稍作改進(jìn)后 , 我們將得到更加理想的酶反應(yīng)器 。進(jìn)而為酶的大規(guī)模應(yīng)用制造良好的條件 。生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)的目的是為生物反應(yīng)過(guò)程提供良好的反應(yīng)環(huán)境 ,生物反應(yīng)過(guò)程是多種多樣的 , 既有工業(yè)微生物過(guò)程 , 又有動(dòng)植物細(xì)胞過(guò)程 , 還包括藻類過(guò)程 、酶反應(yīng)過(guò)程 、污水處理過(guò)程 , 這些過(guò)程對(duì)反