淺談生物反應器

摘要：本文簡要地闡述了膜生物反應器、動物反應器、植物反應器、微生物反應器等，并且闡明了生物反應器的相關技術以及面臨的問題。

關鍵詞：細胞;生物;反應器

高中生物選修3——現代生物科技專題中《基因工程的應用》中提到利用轉基因技術，生長發育成轉基因動物。轉基因動物進入泌乳期后，可以通過分泌的乳汁來生產所需要的藥品，因而稱為乳腺生物反應器。

一、 膜生物反應器（Membrane Bio-Reactor，MBR）

膜生物反應器是一種傳統活性污泥法的改進技術，它應用于給水和廢水處理的研究發展過程。按膜組件和生物反應器的相對位置，膜分離生物反應器又可以分為一體式膜生物反應器，分置式膜生物反應器，復合式膜生物反應器3種。膜生物反應器是由生物處理系統和膜分離組件組合而成的一種新型高效的污水處理與資源化工藝。生物處理系統和膜分離組件的有機結合，使它與傳統的廢水生物處理方法相比有很大的優越性。

二、 動物反應器

（一） 機械攪拌式反應器

攪拌式生物反應器最大優點是能培養各種類型的動物細胞，培養工藝容易放大，產品質量穩定，非常適應于工業化生產。但機械攪拌會產生一定的剪切力，對細胞造成某種程度的損傷。

（二） 氣升式生物反應器

在鼓泡式生物反應器的基礎上發展起來的，以氣體上升為動力、由導流裝置引導形成氣液混合的總體有序循環。自從利用此類反應器首次成功培養動物細胞以來，氣升式生物反應器在動物細胞大規模培養中的應用受到了生物工程領域的熱情關注。

（三） 中空纖維生物反應器

中空纖維培養技術自創立以來，作為其核心裝置的中空纖維生物反應器，因具有低剪切、高傳質、營養成分選擇性滲入等優點而廣泛應用于動物細胞大規模培養。

（四） 填充床生物反應器

Yanagi等介紹了一種以網狀PVF樹脂為填料的填充床生物反應器，利用此生物反應器進行肝細胞高密度培養，為生物人工肝提供活性的肝細胞，并深入研究培養基中氧的濃度對細胞代謝活動的影響。

（五） 血液生物反應器

血液生物反應器比較適合生產人血紅蛋白、抗體和生產非生物學活性狀態的融合蛋白，而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）由于進入了動物血液循環系統而影響動物的健康。

（六） 輸卵管生物反應器

因為蛋清蛋白質在輸卵管細胞表達、含量比較高、蛋白質修飾質量好，所以采用蛋清蛋白質基因的表達調控序列、啟動子、多肽分泌信號序列，構建輸卵管細胞特異性表達外源蛋白質的轉基因生物反應器。

三、 植物反應器

擬南芥、煙草等適合表達一些真核基因和某些原核基因，其應用主要是摸索該基因在模式化植物中的作用，對農業作物基因改良有積極的意義。

四、 微生物反應器

大腸桿菌、畢赤酵母等適合表達原核蛋白和一些真核蛋白。優點就是生長快，周期短，操作簡單，轉化效率高。缺點就是對于一些真核蛋白缺乏必要的蛋白修飾加工系統，有可能造成該蛋白不表達或者表達無活性。

五、 生物反應器的相關技術

（一） 灌注培養

灌注培養的優勢是可以長期高密度培養動物細胞，這對于以獲得細胞分泌物的實驗特別有利。

（二） 增加細胞生長表面積

培養細胞可以在多孔微球的表面積生長，也可以在多孔微球內部生長，極大地增加了細胞的表面積。

六、 生物反應器面臨的問題

（一）外源基因在動物體內的位點整合問題。

（二）轉基因表達產物的分離和純化問題。

（三）倫理道德問題。

（四）動物細胞由于沒有堅固的細胞壁，其機械強度低，對剪切作用十分敏感。

（五）動物細胞培養過程中，隨著生物反應的進行，細胞本身的繁殖及其代謝產物的積累會引起培養液性質的不斷改變，表現出復雜的流變特性。培養液流變特性的改變影響流體的流動特性，進而影響各種傳質過程與熱傳遞，最終將影響生物反應和細胞的新陳代謝。

七、 展望

90年代初以來利用旋轉式生物反應器產生微重力，環境的微重力組織工程，其技術核心是建立動物細胞三維培養體系，它不僅改善了細胞生長的微環境，加快了細胞的生長與分化，而且提高了組織生成效率。動物細胞培養生物反應器技術朝著高密度培養動物細胞生產生物制品，比如一些療效顯著，但是價格高的蛋白質類藥物。三維培養動物細胞再生組織或器官，利用生物反應器大規模擴增干細胞種子。膜生物反應器結合高效菌種的篩選與培育，MBR工藝在城市污水處理與回用、中水回用、生活污水以及高濃度有機廢水等處理，研究MBR的污泥產率與運行條件的關系，如：合理減少污泥產量，降低污泥處理費用。

污水中污染物成分像無機物、有機物、膠體物質等對膜過濾和膜污染過程的影響及機理，膜的有機和生物污染模型的建立和研究，膜生物反應器工藝流程形式及運行條件的優化。

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作者簡介：

李楠，黑龍江省哈爾濱市，大連工業大學。