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中國儀器網 中國儀器網 生物反應器

生物反應器的類型|特點|應用

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生物反應器是一種能夠進行生化反應的裝置,可以模擬生物功能,在多個領域中都有應用,如醫藥生產、有機污染物降解等。生物反應器的基本原理與人體的胃功能極為相似,在胃中的食物經過各種酶的消化之后,會轉變為可被人體吸收的營養。而生物反應器則是利用酶或其它微生物的功能,在體外進行生化反應。COE(歐委會)對生物反應器進行了如下定義:包含容器或其它機構,并在內部發生由生物系統或酶的化學反應的裝置。

生物反應器
細胞培養生物反應器

細胞培養生物反應器

  生物反應器是指以活細胞或酶為生物催化劑進行細胞增殖或生化反應時,為微生物提供適當的生長條件使微生物能進行生長和新陳代謝的設備,是生物反應過程關鍵設備。動物細...[查看全部]

生物反應器的類型

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  生物反應器是指利用酶或生物體所具有的特殊功能,在體外進行生物化學反應的裝置系統,它是生物反應過程中的關鍵設備。生物反應器具有成本低、設備簡單、效率高、產品作用效果顯著、減少工業污染等優點。

生物反應器的類型

  生物反應器有很多種,按照不同的分類角度可以分為各種類型。

  按照反應器內流型分:理想反應器(包括柱塞流反應器、全混流反應器)、非理想反應器。

  按照操作方式分:連續式反應器、半連續式反應器、間歇反應器。

  按照結構特征分:罐式反應器、管式反應器、塔式反應器、膜反應器。

  按照反應器內相態分:均相反應器、非均相反應器。

  按照生物反應器內有機體種類分:微生物反應器、植物細胞反應器、動物細胞反應器、酶反應器。

  按照反應器內氣液混合方式分:機械攪拌混合反應器、泵循環混合反應器、直接通氣混合反應器、連續氣相反應器。

  按照是否通氧分:通氣發酵設備、嫌氣發酵設備。

生物反應器的類型.jpg

機械攪拌式生物反應器

  醫藥工業中的第一個大規模的微生物發酵過程——青霉素生產是在機械攪拌式生物反應器中進行的。且迄今為止,對新的生物過程,首選的生物反應器仍然是機械攪拌式反應器。機械攪拌式反應器能適用于大多數生物過程,是形成標準化的通用產品。機械攪拌式反應器大多數用于間歇反應。

  機械攪拌式生物反應器特點:

  機械攪拌式生物反應器是借攪拌渦輪輸入混合以及相際傳質所需要的功率。這種反應器的適應性最強,從牛頓型流體直到非牛頓型的絲狀菌發酵液,都能根據實際情況和需要,為之提供較高的傳質速率和必要的混合速度。

  機械攪拌式生物反應器缺點是機械攪拌器的驅動功率較高,一般2~4kw/m3,這對大型的反應器來說是個巨大負擔。

  機械攪拌式生物反應器的基本結構包括:筒體,機械攪拌系統攪拌器、擋板、軸封、聯軸器及中間軸承等,通氣系統空氣分散裝置溫控系統換熱裝置,消泡系統、pH控制系統等,并在筒體的適當位置設置排氣、取樣、接種

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生物反應器發展現狀

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  生物反應器是近年來出現的一種能夠在生物工程領域中進行應用的裝置,它的主要用途是進行組織培養或對組織運動進行模擬,生物反應器因自身所具備的多樣化功能,在諸多領域中得到廣泛應用。

膜-生物反應器

  這種生物反應器簡稱MBR,它是一種將膜分離與生物處理兩項技術融為一體的新型污水處理工藝,借助膜的高效分離作用,可以徹底將污泥和水分離開,從而使出水的水質達到最優。近年來,我國加大了工業產業的發展力度,很多工業企業的生產規模隨之進一步擴大,與此同時,工業廢水的排放量劇增,對自然生態環境造成了極其嚴重的污染和破壞。

  膜生物反應器以其自身所具備的生物降解能力,為工業廢水處理提供給了強有力的技術支撐,雖然受到投資成本和膜污染等因素的影響和制約,但隨著近年來對膜生物反應器技術的研究不斷深入,相信在不遠的將來,膜生物反應器將會在工業廢水領域中獲得越來越廣泛的應用。

生物反應器發展現狀.jpg

  膜生物反應器使用現狀:

  膜生物反應器在我國城市污水處理中所占的比例最高,約為57%,在工業廢水處理中約占41%,由此可見,膜生物反應器在工業廢水處理中有著廣闊的應用前景。目前,我國萬噸級以上的膜生物反應器項目有40多座,其在不斷地發展中日漸成熟,雖然如此,但膜生物反應器仍存在一些問題,如膜污染造成的高能耗和高成本、設備運維費用高、膜產品的規格不統一、行業標準不完善等等。

  膜生物反應器研究方向:

  在未來一段時期,可將膜生物反應器的研究方向集中在如下幾個方面:

  ①加大高性能膜材料的研究力度,增強膜的機械強度和化學穩定性,進一步提升其使用年限,降低更換成本;

  ②對膜污染防治技術進行深入研究,從膜生物反應器污染的機理入手,采取有效的技術措施,降低膜污染所帶來的能耗,盡快研究出耐污染性能較高的膜組件。

  ③對預處理工藝的優化方法和途徑進行研究,通過預處理,除能夠降低膜污染之外,還能降低能耗,有助于確保出水水質的最優化。

  ④對行

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生物反應器的功能|特點|應用

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  生物反應器指以活細胞或酶為生物催化劑進行細胞增殖或生化反應提供適宜環境的設備。其結構、操作方式和操作條件的選定對生物化工產品的質量、收率(轉化率)和能耗有密切關系,是生物反應過程中的關鍵設備。生物反應器廣泛應用于生物食品、生物醫藥、生物化工、生物農藥、生物肥料、生物能源、環境保護等領域。

生物反應器的功能

  生物反應器的主要功能是模擬生物生長或生產的自然環境。

  在生物反應器主要參數有:通氣、光密度、濁度、離子強度、消泡、乳酸、氨等。所有的參數都是根據生物生長階段需求來確定。實際生產過程中對參數的控制有多種方法。控制參數主要的方法有單層槳攪拌、多層槳攪拌、機械攪拌、磁力攪拌、表層通氣、深層通氣、半連續培養、連續培養、連續灌注培養等。生物反應器必須滿足生物因素、傳熱因素、監控因素、化學因素、物質快速均勻傳遞傳質、安全因素、操作因素等。

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  酶反應過程用的反應器則稱為酶反應器。從生物反應過程說,發酵過程用的反應器稱為發酵罐。發酵罐可以分為嫌氣酵罐、好氣酵罐、污水生物處理裝置等。好氣發酵罐按其能量輸入方式可分為通用式發酵罐、循環泵發酵罐、鼓泡塔式發酵罐。酶反應器可分游離酶和固定化酶反應器兩大類。動植物細胞培養裝置是一類新型的生物反應器,主要應用于動植物細胞的培養。動植物細胞的培養的培養條件比較苛刻,培養周期比較長。

生物反應器的特點

  生物反應器具有在常溫常壓下操作要求能防染菌并且能蒸汽滅菌,制作材質對微生物或酶無毒害;酶常因底物濃度也不能太高,因而反應器體積相當龐大;反應前需接入菌種,為防止雜菌污染和活性衰退,一般采用分批釜式反應器;在發酵過程中,常是氣、液、固三相并存,流變學性質復雜,使采用化學反應工程的原理和方法,解決生物反應器的設計放大問題存在較大困難。

  因此,生物反應器具有耐受蒸汽滅菌、反應時常是氣、液、固三相并存、能防止雜菌污染和活性衰退、常溫常壓下操作、制作嚴密無隙

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動物生物反應器

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  通常讓目的基因在一定器官或組織中表達的轉基因動物稱為動物生物反應器。根據表達部位的不同,動物生物反應器主要分為血液生物反應器、乳腺生物反應器、膀胱生物反應器和家禽輸卵管生物反應器。

血液生物反應器

  目的基因在血液中表達的轉基因動物叫做動物血液生物反應器。近年來,動物血液生物反應器取得了很大的進展。由于一些有活性的蛋白或多肽(如激素)、細胞分裂素、組織血纖維溶酶因子等進入動物血液循環系統影響動物的健康,因此血液生物反應器比較適合生產人血紅蛋白、血清蛋白、抗體和干擾素等。到目前為止,已有多種通過轉基因動物生產的具有生物學功能的人血紅蛋白問世。

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乳腺生物反應器

  乳腺生物反應器是目前生產外源蛋白最有效的生物反應器,也是目前國際上唯一證明可以達到商業化生產水平的生物反應器。其原理是外源基因與乳腺蛋白基因的啟動子構建成基因表達載體,使外源基因在乳腺中表達,通過回收乳汁獲得重要價值的目的蛋白。

  由于乳腺固有的優越性使之成為生產藥用蛋白的工廠。利用乳腺生物反應器主要生產的是珍貴藥用蛋白和營養保健蛋白。這些蛋白可為免疫系統功能不全的人和接受放、化療病人的輔助治療提供優良制品。目前通過轉基因動物乳腺生物反應器生產的主要生物制品有人乳鐵蛋白、人組織型纖溶酶原激活因子、新生血管抑制因子、人血白蛋白等。還可以利用乳腺生物反應器生產飲用乳品,目的是獲得既能滿足蛋白需要,又能增加抵抗力的品質全面的奶,為人類服務。例如,導入乳鐵蛋白基因,以提高乳鐵蛋白含量;導入溶酶基因,以降低乳中細菌的含量;導入乳糖酶基因,降低乳中乳糖含量。

  采用乳腺生物反應器生產藥用蛋白質是一種全新的生產模式,它已成為生物技術領域發展的重要方面。乳腺生物反應器的目的基因在乳腺中特異的表達,產物只存在乳汁中,不進入血液循環,對轉基因動物本身的生理活動基本不影響。

  乳腺生物反應器具有能夠生產具有完全生物活性的藥用蛋白,純化簡單,

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植物生物反應器

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  植物生物反應器作為分子醫藥農業的核心內容,與動物反應器和微生物反應器相比具有操作簡便、成本低、規模化、周期短等優勢,越來越多地被人們認識和應用。

植物生物反應器的原理

  植物生物反應器是生物反應器研究領域中的一大類,是指通過基因工程途徑,以常見的農作物作為化學工廠,通過大規模種植生產具有高經濟附加值的醫用蛋白、工農業用酶、特殊碳水化合物、生物可降解塑料、脂類及其他一些次生代謝產物等生物制劑的方法。

  植物生物反應器就是利用植物這個系統,包括植物細胞、組織器官以及整株植物為工廠,來生產具有商業價值的生物制品,包括疫苗、抗體、藥用蛋白等,許多研究證實植物系統具有表達活性哺乳動物蛋白的能力,在產品質量、成本和安全方面已顯現出優勢,并很快得到科學家和生物制藥業的認可。

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植物生物反應器的特點

  植物作為生產藥用蛋白的生物反應器,為人類提供了一個更加安全和廉價的生產體系,與微生物發酵、動物細胞和轉基因動物等生產系統相比,它具有許多潛在的優勢。以生物學生產要求很高的疫苗為例,它的優點有:

  ①技術較成熟,成本低廉,使用方便,易于推廣;

  ②植物具有完整的真核細胞表達系統,能準確地進行翻譯后加工;

  ③無須提取純化過程,可直接食用免疫;

  ④比傳統的免疫途徑更有效,植物細胞中的疫苗抗原通過胃內的酸性環境時可受到細胞壁的保護,直接到達腸內黏膜誘導部位,刺激黏膜和全身免疫反應;

  ⑤安全性好,不需要注射器和針頭之類的設備,避免了某些血液傳播疾病。

  如果不以整株植物作為生產單位,而是用帶有生產目的產物特性的植物細胞或組織作為生產單位,結合植物細胞培養和發酵工程方法,則可以像微生物發酵生產一樣大規模工廠化生產目的產物。與人工栽培相比較,這種生產方式具有獨特的優點:

  ①節約自然資源,減少對土地資源的占用,同時不受地區、季節、氣候等自然條件的影響;

  ②細胞培養個體差異小、試驗周期短,便于控制,能

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細胞培養生物反應器

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  生物反應器是指以活細胞或酶為生物催化劑進行細胞增殖或生化反應時,為微生物提供適當的生長條件使微生物能進行生長和新陳代謝的設備,是生物反應過程關鍵設備。

動物細胞培養生物反應器

  動物細胞體外培養時,生物反應器是整個培養過程的關鍵設備,為細胞提供了一個適宜的生長環境,使之快速增殖并形成所需的生物組織制品。

  1、攪拌式生物反應器

  攪拌式反應器靠攪拌槳提供液相攪拌的動力,它有較大的操作范圍、良好的混合性和濃度均勻性,因此在生物反應中被廣泛使用。

  由于動物細胞沒有細胞壁的保護,因此對剪切作用十分敏感,直接的機械攪拌很容易對其造成損害,傳統的用于微生物的攪拌反應器用作動物細胞的培養顯然是不合適的。所以,動物細胞培養中的攪拌式反應器都是經過改進的,包括改進供氧方式、攪拌槳的形式及在反應器內加裝輔件等。

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  2、非攪拌式生物反應器

  攪拌式生物反應器用于動物細胞培養存在的最大缺點是剪切力大,容易損傷細胞,雖然經過各種改進,這個問題仍很難避免。相比之下,非攪拌式反應器產生的剪切力較小,在動物細胞培養中表現出了較強的優勢。

  ①填充床反應器是在反應器中填充一定材質的填充物,供細胞貼壁生長。營養液通過循環灌流的方式提供,并可在循環過程中不斷補充。細胞生長所需的氧分也可以在反應器外通過循環的營養液攜帶,因而不會有氣泡傷及細胞。這類反應器剪切力小,適合細胞高密度生長。

  ②中空纖維反應器中空纖維反應器由于剪切力小而廣泛用于動物細胞的培養。

  ③氣升式生物反應器也是實現動物細胞高密度培養的常用設備之一,其特點是結構簡單,操作方便。有人在氣升式反應器中利用微載體培養技術,研究了Vero細胞高密度培養的工藝條件。

植物細胞培養生物反應器

  由于植物細胞與微生物細胞形態結構不同,植物細胞較微生物細胞大,對剪切力耐受性差,而且對氧的要求相對微生物要低得多,因此微生物反應器并不完全適合于植物細胞生長與生產

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