文 献 综 述

1.1 生物技术产业与生物反应器

随着全球社会经济快速发展，现有石油煤炭等化石资源的充分供应变得不可持续，难以支撑人类社会的高级发展口标。人类社会发展将从依赖于化石燃料等碳氢化合物资源转变为依靠淀粉、纤维素、多糖、植物和微生物油脂等可利用太阳能持续合成的碳水化合物资源。这种能源和资源结构的转变将为生物技术及其产业发展带来极大机遇和挑战。借助于各种生物系统可利用碳水化合物来规模生产现代社会所需的化学品和能源。这些生物系统包括酶、微生物、动物细胞、植物细胞和动植物组织。而生物系统进行物质转化的生化反应是在生物反应器这个相对封闭的小生境中进行的。生物反应器为生物系统的生化反应提供了可控的环境条件以促使生物过程高效进行，例如，温度、pH,溶氧、混合、剪切、补料等。另外，生物反应器系统供氧与混合效率、操作稳定性和可靠性与生物制造过程节能降耗密切相关，对生物产品生产成本产生很大影响。因而生物反应器设计、放大和操作优化技术及其产业化生产在生物产业发展中起着重要作用。

传统反应器一般包括悬浮培养系统反应器和固定化培养系统反应器。前者主要包括搅拌式反应器、气升式反应器;后者主要包括膜反应器、填充床反应器。随着全球对生物技术包括生物基产品需求的快速增长和生物技术相关学科发展，生物反应器出现了一些新的发展趋势，主要表现为高通量、微型化生物反应器应用于生物过程工艺快速开发和优化;工业规模生物反应器朝着大型化、自动化方向发展，并且计算流体力学技术被应用于反应器设计与放大，增强了对于生物反应器供氧、混合与剪切性能的可预期性;对于生物加工过程高密度高产率要求，使得包含新型空气分布系统与搅拌系统有机组合的生物反应器得到了广泛的应用，极大地提高了能源使用效率;多种先进传感技术被运用于生物过程的在线测定，提高了对于生物过程生理代谢状态认识的准确性和即时性;而针对具体培养对象的特殊性，出现了一些专门反应器，如光生物反应器、动物细胞一次性反应器、酶反应器等，这些新型生物反应器也正逐步实现工业规模应用。

另外，不同于一般化学或物理过程，生物反应过程涉及基因、蛋白、代谢以及细胞与环境相互作用相关的关系，因而很难用普适公式来总结描述其过程并为生物加工过程相关工程及反应器设计提供理论依据。继续研究生物反应过程基本规律及其新的表征方法是生物反应器工程及其应用获得根本重大进展的基础。在口前阶段，发展生物加工过程新型传感技术、研究可对生物过程进行表征的状态参数群并确定影响工艺优化及反应器放大的敏感参数，已被证明是针对生物加工过程的一种行之有效的工程学方法。

1.2 生物反应器的常见种类

1.2.1 机械搅拌式生物反应器

机械搅拌式生物反应器(如图1-1)是开发较早，应用较广的一类生物反应器。

机械搅拌式生物反应器主要由培养罐、管、阀、泵、马达及仪表组成。培养物的混匀由马达带动的不锈钢搅拌系统实现，在罐体顶端还有一些传感器，可以连接监测培养物的温度、pH值、溶氧度(Dissolved oxygen, DO),葡萄糖消耗、NH3, NH4 等参数。这种反应器培养规模可达2000L，若再配合微载体、多孔微球、灌注技术，可使细胞密度达到107/ml以上，而且消毒方便。另外，其最大的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，非常适合工厂化生产，但不足之处是机械搅拌所产生

的剪切力对细胞有一定的损伤。

1.2.2 气升式生物反应器