连续式生物反应器研究进展

连续式生物反应器研究进展

郑婕

（中国医药集团联合工程有限公司上海分公司 上海 200235）

摘要：随着医药、化工、纳米新材料等技术的发展，连续式反应器、微通道反应器得到广泛使用。本文介绍了连续式的生物反应器的结构、工作原理，归纳了连续式反应器的优势以及在合成与生物医药领域的应用。

关键词： 生物反应器；连续式生物反应器；微通道反应器。

概述

随着酶固定化、细胞固定化技术的发展，利用酶作为催化剂的反应及以细胞作为底物的发酵过程有了新的反应形式。间歇式反应过程与固定化技术相结合，形成了连续式反应这一新类型，连续式生物反应器应运而生。与间歇式反应相比，连续式反应在应用过程中有极大的优势，如装载量灵活、传热效率高、传质速率快、放大效应小、反应器材料多样。

连续式生物反应器的结构存在多种形式，装填方法以及固定载体有所区别。固定化酶及固定化细胞也存在多种技术，不同的生物催化剂种类所适应的固定方法也有所不同。根据生物反应的不同性质来选择连续式反应的各项条件才能实现将反应效率最大化。

一、反应器结构

连续式生物反应器目前存在两种主要类型，按照生物催化剂（酶和细胞）反应时的状态为固定态或是游离态可分为两类，见图1。

当生物催化剂被固定后装填于反应通道中时，两种底物通过泵以一定的速度被加入反应体系中。此步骤使用的泵可以是蠕动泵、活塞、注射器或者齿轮离心泵。经过螺旋式的反应通道引入螺旋管式反应器中进行初步混合，再通入已经装载好生物催化剂的反应器中进行反应。混合反应器的作用是为了让两种底物进行匀质的混合。反应后获得的产物混合溶液需进行一系列的后续处理如检测产物质量，除去杂质，回收等操作，最终收获产品，反应过程中始终有压力检测控制系统保持体系压力。

当生物催化剂未被固定时，可将反应底物与反应催化剂分别经由注射泵加入反应体系中先进行初步的混合操作，再进入微流动反应器进行反应。反应过后获得的产物与催化剂混合溶液需要进行一系列的后续处理，检测反应液纯度，并回收生物催化剂，最终获得产品，反应过程中始终有压力控制系统保持系统压力。

图1  两类主要的连续式生物反应器

生物反应器中发生反应的酶和细胞均称为生物催化剂，在连续反应过程中，生物催化剂需要回收利用，因此将酶或细胞固定在载体上，装载于反应器中，生物催化剂常见的装载方式有如下几种，结构见图2。

（1）将生物催化剂固定在珠子上（材料可为树脂等），珠子允许装载量较大但是对于反应管道内液体的压力也较大。

（2）将生物催化剂固定在反应通道的内表面，覆盖着反应器管壁。

（3）在微反应通道中包含着固定化催化剂的完整单位，这个设计可以将上述设计的局限性最小化。

（4）利用互不相溶的两相，如催化剂溶于水相中，与有机相接触并催化反应，生成的产物位于有机相中，水相中的生物催化剂可以不断地被循环利用。

此外还可以将生物催化剂固定在膜上进行催化反应，当前也有方法应用磁性纳米粒子与固定化技术相结合进行生物反应过程的实例。

二、反应器细胞固定化操作举例

生物反应器中起到催化作用生物催化剂可以是细胞或者离体酶，在反应器设计中大多需通过固定化装填在反应器中。M.Serkan Yalcin等人研究利用固定化的Geocacillus stearothermophilus SO-20进行废水处理。利用细胞吸附二价镍和二价钴的特性进行电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）检测前的样品的预浓缩。

其中涉及生物反应器中细胞固定化的部分如下：

（1）SO-20菌株是一种生物吸附剂，能吸附镍、钴离子。先将待测东、植物及土壤样本用HCl处理并稀释至一定浓度。

（2）将SO-20烘干研碎，干热条件下使细胞死亡并烘干。将烘干死亡的细胞接种至液体培养基中确认细胞不再生长。

（3）称取750mg 离子交换树脂XAD-4、200mg干燥的SO-20粉末混匀并加入7.5ml蒸馏水混合充分，进行装柱。

（4）将50ml含有钴、镍离子的样品通过蠕动泵加入柱中，加样后加入10ml蒸馏水。

（5）1.0mol/l的HCl用作洗脱液将镍、钴离子洗脱进行后续的检测。

三、连续式反应器优势

Edward Jones等人研究了催化相同的异构反应时，间歇式反应器于连续式反应器催化效率的区别，结论显示两种类型的连续式反应器相比较于间歇式反应存在如下优势：

灵活的催化剂装载量：ACR反应器（Agitated cell reactor）能够处理的反应物体积为0.01-0.1L；ATR反应器（Agitated tube reactor）能够处理的反应物体积为0.25-10L。

传热效率高：外在的降温/升温夹套使换热面积最高达到1000㎡/m³。

混合效率高：辐射状的混合形式增加了混合效率，使得传质不仅依靠于反应物在反应器内的滞留时间。

平推流/塞流（plug flow）：在管道内壁没有边界层，平推流从几分钟到几小时的分布不等。（见图3）由于压降较低：流动通道较大导致压降较低。产物容易进行下一步操作：大量的流动通道使得产物混合均匀，两相或者三相混合物的后续处理比较容易进行。设备设计较为简单，简单的管式设备不需要转轴挡板等设计。因此可以选用的材料灵活：可选用不锈钢、合金、或者塑料等材料。

其中，ACR反应器（agitated cell reactor）小室之中装置了搅拌器，可以在反应时进行混合操作，搅拌器可以达到从温和到剧烈的不同程度的搅拌，过程可控。ACR反应器结构如图4所示。

ATR反应器（agitated tube reactor）被安置在一个震荡平台上，反应器中包含许多装填的反应管，震荡时搅拌单元能产生很强的混合效果。ATR反应器结构如图5所示。

四、生物反应器应用举例

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