淺談生物反應(yīng)器

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

關(guān)鍵詞：細(xì)胞;生物;反應(yīng)器

高中生物選修3——現(xiàn)代生物科技專題中《基因工程的應(yīng)用》中提到利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)，生長發(fā)育成轉(zhuǎn)基因動物。轉(zhuǎn)基因動物進(jìn)入泌乳期后，可以通過分泌的乳汁來生產(chǎn)所需要的藥品，因而稱為乳腺生物反應(yīng)器。

一、 膜生物反應(yīng)器（Membrane Bio-Reactor，MBR）

膜生物反應(yīng)器是一種傳統(tǒng)活性污泥法的改進(jìn)技術(shù)，它應(yīng)用于給水和廢水處理的研究發(fā)展過程。按膜組件和生物反應(yīng)器的相對位置，膜分離生物反應(yīng)器又可以分為一體式膜生物反應(yīng)器，分置式膜生物反應(yīng)器，復(fù)合式膜生物反應(yīng)器3種。膜生物反應(yīng)器是由生物處理系統(tǒng)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(tǒng)和膜分離組件的有機結(jié)合，使它與傳統(tǒng)的廢水生物處理方法相比有很大的優(yōu)越性。

二、 動物反應(yīng)器

（一） 機械攪拌式反應(yīng)器

攪拌式生物反應(yīng)器最大優(yōu)點是能培養(yǎng)各種類型的動物細(xì)胞，培養(yǎng)工藝容易放大，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，非常適應(yīng)于工業(yè)化生產(chǎn)。但機械攪拌會產(chǎn)生一定的剪切力，對細(xì)胞造成某種程度的損傷。

（二） 氣升式生物反應(yīng)器

在鼓泡式生物反應(yīng)器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，以氣體上升為動力、由導(dǎo)流裝置引導(dǎo)形成氣液混合的總體有序循環(huán)。自從利用此類反應(yīng)器首次成功培養(yǎng)動物細(xì)胞以來，氣升式生物反應(yīng)器在動物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)中的應(yīng)用受到了生物工程領(lǐng)域的熱情關(guān)注。

（三） 中空纖維生物反應(yīng)器

中空纖維培養(yǎng)技術(shù)自創(chuàng)立以來，作為其核心裝置的中空纖維生物反應(yīng)器，因具有低剪切、高傳質(zhì)、營養(yǎng)成分選擇性滲入等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于動物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)。

（四） 填充床生物反應(yīng)器

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

（五） 血液生物反應(yīng)器

血液生物反應(yīng)器比較適合生產(chǎn)人血紅蛋白、抗體和生產(chǎn)非生物學(xué)活性狀態(tài)的融合蛋白，而有活性的蛋白或多肽（如激素、細(xì)胞分裂素、組織血纖維溶酶因子等）由于進(jìn)入了動物血液循環(huán)系統(tǒng)而影響動物的健康。

（六） 輸卵管生物反應(yīng)器

因為蛋清蛋白質(zhì)在輸卵管細(xì)胞表達(dá)、含量比較高、蛋白質(zhì)修飾質(zhì)量好，所以采用蛋清蛋白質(zhì)基因的表達(dá)調(diào)控序列、啟動子、多肽分泌信號序列，構(gòu)建輸卵管細(xì)胞特異性表達(dá)外源蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)基因生物反應(yīng)器。

三、 植物反應(yīng)器

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

四、 微生物反應(yīng)器

大腸桿菌、畢赤酵母等適合表達(dá)原核蛋白和一些真核蛋白。優(yōu)點就是生長快，周期短，操作簡單，轉(zhuǎn)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(tǒng)，有可能造成該蛋白不表達(dá)或者表達(dá)無活性。

五、 生物反應(yīng)器的相關(guān)技術(shù)

（一） 灌注培養(yǎng)

灌注培養(yǎng)的優(yōu)勢是可以長期高密度培養(yǎng)動物細(xì)胞，這對于以獲得細(xì)胞分泌物的實驗特別有利。

（二） 增加細(xì)胞生長表面積

培養(yǎng)細(xì)胞可以在多孔微球的表面積生長，也可以在多孔微球內(nèi)部生長，極大地增加了細(xì)胞的表面積。

六、 生物反應(yīng)器面臨的問題

（一）外源基因在動物體內(nèi)的位點整合問題。

（二）轉(zhuǎn)基因表達(dá)產(chǎn)物的分離和純化問題。

（三）倫理道德問題。

（四）動物細(xì)胞由于沒有堅固的細(xì)胞壁，其機械強度低，對剪切作用十分敏感。

（五）動物細(xì)胞培養(yǎng)過程中，隨著生物反應(yīng)的進(jìn)行，細(xì)胞本身的繁殖及其代謝產(chǎn)物的積累會引起培養(yǎng)液性質(zhì)的不斷改變，表現(xiàn)出復(fù)雜的流變特性。培養(yǎng)液流變特性的改變影響流體的流動特性，進(jìn)而影響各種傳質(zhì)過程與熱傳遞，最終將影響生物反應(yīng)和細(xì)胞的新陳代謝。

七、 展望

90年代初以來利用旋轉(zhuǎn)式生物反應(yīng)器產(chǎn)生微重力，環(huán)境的微重力組織工程，其技術(shù)核心是建立動物細(xì)胞三維培養(yǎng)體系，它不僅改善了細(xì)胞生長的微環(huán)境，加快了細(xì)胞的生長與分化，而且提高了組織生成效率。動物細(xì)胞培養(yǎng)生物反應(yīng)器技術(shù)朝著高密度培養(yǎng)動物細(xì)胞生產(chǎn)生物制品，比如一些療效顯著，但是價格高的蛋白質(zhì)類藥物。三維培養(yǎng)動物細(xì)胞再生組織或器官，利用生物反應(yīng)器大規(guī)模擴增干細(xì)胞種子。膜生物反應(yīng)器結(jié)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(chǎn)率與運行條件的關(guān)系，如：合理減少污泥產(chǎn)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(zhì)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(yīng)器工藝流程形式及運行條件的優(yōu)化。

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作者簡介：

李楠，黑龍江省哈爾濱市，大連工業(yè)大學(xué)。