[拼音]：shengwu fanyingqi

[外文]：bioreactor

指以活細(xì)胞或酶為生物催化劑進(jìn)行細(xì)胞增殖或生化反應(yīng)提供適宜環(huán)境的設(shè)備，它是生物反應(yīng)過程中的關(guān)鍵設(shè)備。生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、操作方式和操作條件的選定對生物化工產(chǎn)品的質(zhì)量、收率（轉(zhuǎn)化率）和能耗有密切關(guān)系。生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、放大是生化反應(yīng)工程的中心內(nèi)容，也是生物化學(xué)工程的重要組成部分。

分類

從生物反應(yīng)過程說，發(fā)酵過程用的反應(yīng)器稱為發(fā)酵罐；酶反應(yīng)過程用的反應(yīng)器則稱為酶反應(yīng)器。另一些專為動植物細(xì)胞大量培養(yǎng)用的生物反應(yīng)器，專稱為動植物細(xì)胞培養(yǎng)裝置。

發(fā)酵罐

發(fā)酵罐若根據(jù)其使用對象區(qū)分，可有：嫌氣發(fā)酵罐、好氣發(fā)酵罐、污水生物處理裝置等。其中嫌氣發(fā)酵罐最為簡單，生產(chǎn)中不必導(dǎo)入空氣，僅為立式或臥式的筒形容器，可借發(fā)酵中產(chǎn)生的二氧化碳攪拌液體。（見彩圖）

若以操作方式區(qū)分，有分批操作和連續(xù)操作兩種。前者一般用釜式反應(yīng)器，后者可用連續(xù)攪拌式反應(yīng)器或管式及塔式反應(yīng)器。好氣發(fā)酵罐按其能量輸入方式或作用原理區(qū)分，可有：

（1）具有機(jī)械攪拌器和空氣分布器的發(fā)酵罐　這類發(fā)酵罐（圖1）應(yīng)用最普遍，稱為通用式發(fā)酵罐。所用的攪拌器一般為使罐內(nèi)物料產(chǎn)生徑向流動的六平葉渦輪攪拌器，它的作用為破碎上升的空氣泡和混合罐內(nèi)的物料。若利用上下都裝有蔽板的攪拌葉輪，攪拌時(shí)在葉輪中心產(chǎn)生的局部真空，以吸入外界的空氣，則稱為自吸式機(jī)械攪拌發(fā)酵罐。

（2）循環(huán)泵發(fā)酵罐　用離心漿料泵將料液從罐中引出，通過外循環(huán)管返入罐內(nèi)。在循環(huán)管頂端再接上液體噴嘴，使之能吸入外界空氣的，稱噴射自吸發(fā)酵罐（圖2）。

（3）鼓泡塔式發(fā)酵罐　以壓縮空氣為動力進(jìn)行液料攪拌，同時(shí)進(jìn)行通氣的氣升發(fā)酵罐(圖3)。目前，世界所發(fā)展的大型發(fā)酵罐是英國卜內(nèi)門化學(xué)工業(yè)公司的發(fā)酵罐，它以甲醇為原料生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的壓力循環(huán)氣升發(fā)酵罐（圖4），其直徑為7m，高為60m，總?cè)萘繛?2300m³，自上至下有5000～8000個(gè)噴嘴進(jìn)料。目前，還有些發(fā)酵產(chǎn)品，如固體曲等，使用專門設(shè)計(jì)的能調(diào)節(jié)溫、濕度的旋轉(zhuǎn)式固體發(fā)酵裝置。

生產(chǎn)甲烷（沼氣）用的是嫌氣發(fā)酵罐，也稱消化器或沼氣發(fā)生器，這種發(fā)酵罐裝有攪拌器，頂部有的有浮頂。

污水生物處理裝置中，最簡單的是曝氣池，裝有表面曝氣葉輪。為了節(jié)省占地面積，開發(fā)了一種利用氣升式發(fā)酵罐原理的深井式污水處理池或大至 20000m³的多循環(huán)管式曝氣裝置。此外，還有生物濾池和生物轉(zhuǎn)盤等裝置，把能降解污水中有害物質(zhì)的菌或原生動物，以生物膜的形式附在填料或轉(zhuǎn)盤上。

酶反應(yīng)器

可分游離酶及固定化酶反應(yīng)器兩大類。

（1）游離酶反應(yīng)器　以水溶液狀態(tài)與底物反應(yīng)。若為分批釜式反應(yīng)器，酶就不能回收；若用連續(xù)釜式反應(yīng)器（見反應(yīng)器）并附有一個(gè)能把大分子的酶留在系統(tǒng)內(nèi)的超濾裝置（見超過濾）則可使酶連續(xù)使用。也可將酶液置于用超濾材料制成的U形管或中空纖維管中，并將其置于釜式或管式反應(yīng)器進(jìn)行操作，這樣也可使酶連續(xù)使用。后者接近連續(xù)管式反應(yīng)器。

（2）固定化酶反應(yīng)器　除了和化學(xué)反應(yīng)器類似的固定床反應(yīng)器和流化床反應(yīng)器外，還有多種特殊設(shè)計(jì)。例如：將酶固定在惰性膜片上，再卷成螺旋狀置于反應(yīng)器（圖5）中，或?qū)⒚腹潭ㄔ谥锌绽w維的內(nèi)壁制成反應(yīng)器；也可將固定化酶置于金屬網(wǎng)框中進(jìn)行酶反應(yīng)（圖6）。在反應(yīng)中產(chǎn)氣(如CO₂)嚴(yán)重時(shí)，可考慮采用多層酶反應(yīng)器。采用固定化細(xì)胞時(shí)的反應(yīng)器，基本上和固定化酶反應(yīng)器相同，但在好氣培養(yǎng)時(shí)要便于空氣導(dǎo)入和廢氣排出。

動植物細(xì)胞培養(yǎng)裝置

是一類新型的生物反應(yīng)器，并且隨著重組DNA技術(shù)和細(xì)胞融合技術(shù)等發(fā)展會進(jìn)一步引起人們興趣。動植物細(xì)胞的培養(yǎng)遠(yuǎn)較微生物的培養(yǎng)困難，主要是動物細(xì)胞或植物愈傷組織（植物受創(chuàng)后的新生組織，在離體培養(yǎng)中形成不規(guī)則的組織團(tuán)塊）特別嬌嫩，培養(yǎng)條件苛刻，培養(yǎng)周期長，雜菌污染的危害性大。

動物細(xì)胞無保護(hù)性的細(xì)胞壁，培養(yǎng)基有血清等天然物質(zhì)。僅少數(shù)動物細(xì)胞能懸浮培養(yǎng)，而多數(shù)具有工業(yè)生產(chǎn)意義的細(xì)胞須附著在固體介質(zhì)上生長和單層培養(yǎng)（即細(xì)胞不能相互堆疊），因此要求培養(yǎng)裝置有供細(xì)胞附著的盡可能大的表面積。簡單的裝置是能緩慢旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)管或轉(zhuǎn)瓶，新型復(fù)雜的培養(yǎng)方法是微珠培養(yǎng)法和中空纖維培養(yǎng)法。前者系在培養(yǎng)裝置中放入適量粒度為 40～250μm、相對密度與培養(yǎng)液相近的惰性微珠，在培養(yǎng)過程中借攪拌器的作用以懸浮于培養(yǎng)液中，并使動物細(xì)胞在其表面增殖。為了避免培養(yǎng)液產(chǎn)生泡沫，不用通常的空氣分布器，而將硅橡膠管置于培養(yǎng)裝置中，空氣中的氧靠分子擴(kuò)散作用通過管壁滲至培養(yǎng)液中（圖7）。這種分布器采用中空纖維管作固體附著物，空氣一般從管內(nèi)通入，氧則通過管壁滲出。(見彩圖)

植物細(xì)胞培養(yǎng)主要采用懸浮培養(yǎng)法，即將愈傷組織或其他易分散的組織，在溫和攪拌情況下分散為游離細(xì)胞并使之增殖，以提取其有效物質(zhì)。

生物反應(yīng)器的特點(diǎn)

與一般化學(xué)過程的反應(yīng)器相比，其基本原理和結(jié)構(gòu)應(yīng)是相近的，但有如下特點(diǎn)：

（1）在常溫常壓下操作，但要求能耐受蒸汽滅菌，制作嚴(yán)密無隙以防染菌，且用對微生物或酶無毒害的材質(zhì)制作；

（2）當(dāng)用微生物為催化劑時(shí)，催化劑本身是在發(fā)酵罐中產(chǎn)生的（開始時(shí)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(yīng)器；

（3）酶常因底物（即酶的作用物）的濃度過高發(fā)生抑制作用，微生物細(xì)胞因胞內(nèi)外滲透壓平衡問題，要求底物濃度也不能太高，因而反應(yīng)器體積相當(dāng)龐大；

（4）在發(fā)酵過程中，生化反應(yīng)機(jī)理和途徑相當(dāng)復(fù)雜，有的尚不清楚，很難進(jìn)行化學(xué)計(jì)量學(xué)的計(jì)算及反應(yīng)動力學(xué)的研究，加上反應(yīng)時(shí)常是氣、液、固三相并存，有的反應(yīng)液粘度很大，流變學(xué)性質(zhì)復(fù)雜，對反應(yīng)器中物料的混合和傳遞帶來不利，使采用化學(xué)反應(yīng)工程的原理和方法解決生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)放大問題存在較大困難。

參考文章

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