浅谈生物反应器

摘要：本文简要地阐述了膜生物反应器、动物反应器、植物反应器、微生物反应器等，并且阐明了生物反应器的相关技术以及面临的问题。

关键词：细胞;生物;反应器

高中生物选修3——现代生物科技专题中《基因工程的应用》中提到利用转基因技术，生长发育成转基因动物。转基因动物进入泌乳期后，可以通过分泌的乳汁来生产所需要的药品，因而称为乳腺生物反应器。

一、 膜生物反应器（Membrane Bio-Reactor，MBR）

膜生物反应器是一种传统活性污泥法的改进技术，它应用于给水和废水处理的研究发展过程。按膜组件和生物反应器的相对位置，膜分离生物反应器又可以分为一体式膜生物反应器，分置式膜生物反应器，复合式膜生物反应器3种。膜生物反应器是由生物处理系统和膜分离组件组合而成的一种新型高效的污水处理与资源化工艺。生物处理系统和膜分离组件的有机结合，使它与传统的废水生物处理方法相比有很大的优越性。

二、 动物反应器

（一） 机械搅拌式反应器

搅拌式生物反应器最大优点是能培养各种类型的动物细胞，培养工艺容易放大，产品质量稳定，非常适应于工业化生产。但机械搅拌会产生一定的剪切力，对细胞造成某种程度的损伤。

（二） 气升式生物反应器

在鼓泡式生物反应器的基础上發展起来的，以气体上升为动力、由导流装置引导形成气液混合的总体有序循环。自从利用此类反应器首次成功培养动物细胞以来，气升式生物反应器在动物细胞大规模培养中的应用受到了生物工程领域的热情关注。

（三） 中空纤维生物反应器

中空纤维培养技术自创立以来，作为其核心装置的中空纤维生物反应器，因具有低剪切、高传质、营养成分选择性渗入等优点而广泛应用于动物细胞大规模培养。

（四） 填充床生物反应器

Yanagi等介绍了一种以网状PVF树脂为填料的填充床生物反应器，利用此生物反应器进行肝细胞高密度培养，为生物人工肝提供活性的肝细胞，并深入研究培养基中氧的浓度对细胞代谢活动的影响。

（五） 血液生物反应器

血液生物反应器比较适合生产人血红蛋白、抗体和生产非生物学活性状态的融合蛋白，而有活性的蛋白或多肽（如激素、细胞分裂素、组织血纤维溶酶因子等）由于进入了动物血液循环系统而影响动物的健康。

（六） 输卵管生物反应器

因为蛋清蛋白质在输卵管细胞表达、含量比较高、蛋白质修饰质量好，所以采用蛋清蛋白质基因的表达调控序列、启动子、多肽分泌信号序列，构建输卵管细胞特异性表达外源蛋白质的转基因生物反应器。

三、 植物反应器

拟南芥、烟草等适合表达一些真核基因和某些原核基因，其应用主要是摸索该基因在模式化植物中的作用，对农业作物基因改良有积极的意义。

四、 微生物反应器

大肠杆菌、毕赤酵母等适合表达原核蛋白和一些真核蛋白。优点就是生长快，周期短，操作简单，转化效率高。缺点就是对于一些真核蛋白缺乏必要的蛋白修饰加工系统，有可能造成该蛋白不表达或者表达无活性。

五、 生物反应器的相关技术

（一） 灌注培养

灌注培养的优势是可以长期高密度培养动物细胞，这对于以获得细胞分泌物的实验特别有利。

（二） 增加细胞生长表面积

培养细胞可以在多孔微球的表面积生长，也可以在多孔微球内部生长，极大地增加了细胞的表面积。

六、 生物反应器面临的问题

（一）外源基因在动物体内的位点整合问题。

（二）转基因表达产物的分离和纯化问题。

（三）伦理道德问题。

（四）动物细胞由于没有坚固的细胞壁，其机械强度低，对剪切作用十分敏感。

（五）动物细胞培养过程中，随着生物反应的进行，细胞本身的繁殖及其代谢产物的积累会引起培养液性质的不断改变，表现出复杂的流变特性。培养液流变特性的改变影响流体的流动特性，进而影响各种传质过程与热传递，最终将影响生物反应和细胞的新陈代谢。

七、 展望

90年代初以来利用旋转式生物反应器产生微重力，环境的微重力组织工程，其技术核心是建立动物细胞三维培养体系，它不仅改善了细胞生长的微环境，加快了细胞的生长与分化，而且提高了组织生成效率。动物细胞培养生物反应器技术朝着高密度培养动物细胞生产生物制品，比如一些疗效显著，但是价格高的蛋白质类药物。三维培养动物细胞再生组织或器官，利用生物反应器大规模扩增干细胞种子。膜生物反应器结合高效菌种的筛选与培育，MBR工艺在城市污水处理与回用、中水回用、生活污水以及高浓度有机废水等处理，研究MBR的污泥产率与运行条件的关系，如：合理减少污泥产量，降低污泥处理费用。

污水中污染物成分像无机物、有机物、胶体物质等对膜过滤和膜污染过程的影响及机理，膜的有机和生物污染模型的建立和研究，膜生物反应器工艺流程形式及运行条件的优化。

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作者简介：

李楠，黑龙江省哈尔滨市，大连工业大学。