1、博士研究生學位課程論文學院（中心、所）： 化工與能源學院 專 業 名 稱： 生 物 化 工 課 程 名 稱：生物過程控制與檢測研 究 生 姓 名： 導 師（職 稱）： （教 授） 學 號： 生物反應器過程控制與檢測學院：化工與能源學院 專業：生物化工 學號：201111230117 姓名：楊娜摘要：闡述了生物反應器的設計、放大的新理念及關鍵技術發展，并在此基礎上綜述了應用于生物技術產品生產的生物反應器的主要發展趨勢，包括以代謝流分析為核心的生物反應器系統、基于計算流體力學模擬技術的傳統發酵罐改良、動物細胞反應器和酶反應器。關鍵詞：生物反應器; 計算流體力學; 微型生物反應器; 動物細胞反應器;

2、 酶反應器1 生物技術產業發展與生物反應器隨著全球社會經濟快速發展，現有石油煤炭等化石資源的充分供應變得不可持續，難以支撐人類社會的高級發展目標。人類社會發展將從依賴于化石燃料等碳氫化合物資源轉變為依靠淀粉、纖維素、多糖、植物和微生物油脂等可利用太陽能持續合成的碳水化合物資源。這種能源和資源結構的轉變將為生物技術及其產業發展帶來極大機遇和挑戰。借助于各種生物系統可利用碳水化合物來規模生產現代社會所需的化學品和能源。這些生物系統包括酶、微生物、動物細胞、植物細胞和動植物組織。而生物系統進行物質轉化的生化反應是在生物反應器這個相對封閉的小生境中進行的。生物反應器為生物系統的生化反應提供了可控的環境

3、條件以促使生物過程高效進行，例如，溫度、pH、溶氧、混合、剪切、補料等。另外，生物反應器系統供氧與混合效率、操作穩定性和可靠性與生物制造過程節能降耗密切相關，對生物產品生產成本產生很大影響。因而生物反應器設計、放大和操作優化技術及其產業化生產在生物產業發展中起著重要作用。傳統反應器一般包括懸浮培養系統反應器和固定化培養系統反應器。前者主要包括攪拌式反應器、氣升式反應器；后者主要包括膜反應器、填充床反應器。隨著全球對生物技術包括生物基產品需求的快速增長和生物技術相關學科發展，生物反應器出現了一些新的發展趨勢，主要表現為高通量、微型化生物反應器應用于生物過程工藝快速開發和優化；工業規模生物反應器朝

4、著大型化、自動化方向發展，并且計算流體力學技術被應用于反應器設計與放大，增強了對于生物反應器供氧、混合與剪切性能的可預期性；對于生物加工過程高密度高產率要求，使得包含新型空氣分布系統與攪拌系統有機組合的生物反應器得到了廣泛的應用，極大地提高了能源使用效率; 多種先進傳感技術被運用于生物過程的在線測定，提高了對于生物過程生理代謝狀態認識的準確性和即時性；而針對具體培養對象的特殊性，出現了一些專門反應器，如光生物反應器、動物細胞一次性反應器、酶反應器等，這些新型生物反應器也正逐步實現工業規模應用。另外，不同于一般化學或物理過程，生物反應過程涉及基因、蛋白、代謝以及細胞與環境相互作用相關的關系，因而

5、很難用普適公式來總結描述其過程并為生物加工過程相關工程及反應器設計提供理論依據。繼續研究生物反應過程基本規律及其新的表征方法是生物反應器工程及其應用獲得根本重大進展的基礎。在目前階段，發展生物加工過程新型傳感技術、研究可對生物過程進行表征的狀態參數群并確定影響工藝優化及反應器放大的敏感參數，已被證明是針對生物加工過程的一種行之有效的工程學方法1。筆者在關注生物反應器設計、放大和檢測、控制等關鍵技術的同時，著重闡述應用于生物技術產品生產的生物反應器的主要發展趨勢。2 以代謝流分析為核心的生物反應器系統2.1 系統設計原理及構成生物過程是生物系統在生物反應器中進行生化反應的過程。生物反應器中生物系

6、統及其所處環境構成了相對封閉的生態系統。在這一生態系統中，生物系統與環境因子間存在相互作用。生物系統，特別是以細胞為主體的生物系統，其表型不僅與基因型密切相關，也與細胞所處的微觀或宏觀環境條件(營養種類、pH、溫度、溶解氧、生物反應器的混合與傳遞特性等)密切相關，也就是說基因型與環境共同決定了生物系統的表型特征。另一方面，生物過程具有高度非線性和時變性特征，難以用環境操作參數的檢測與控制為目的的宏觀動力學來表征其復雜的本體特征。既然以環境操作參數的檢測與控制為目的的宏觀動力學研究并不能真正代表生物細胞體復雜的本體特征，因而所開展的過程優化就可能成為無本之木、無水之源。有研究者提出應該結合發酵過

7、程中參數相關的代謝特性，系統地分析細胞的代謝變化，強調細胞的生理狀態與參數相關是生物反應器中物料、能量或信息傳遞、轉換以及平衡作用的結果。隨著系統生物學和合成生物學研究的深入，也有人提出環境組學研究，Klumpp等2開展“垂直研究”(verticalapproach)來補充組學(omics)“水平研究”( horizontal approach)的不足。因此，盡管其微觀影響因素也許只是發生在基因、酶、細胞或反應器水平的某一個尺度上，但最終會在宏觀過程中有所反映，這為研究生物反應器中不同尺度的數據關聯分析方法提供了線索。因此，張嗣良等3提出了生物反應器生物過程的多尺度問題，認為以細胞為主體的細胞

8、大規模培養的生物反應過程呈現出基因分子尺度、細胞尺度與生物反應器尺度的網絡結構，且不同尺度的網絡間有著輸入輸出關系，存在著信息流、物質流與能量流，不同尺度的參數相關關系更能反映生物過程的本質特征，找到影響細胞代謝流的敏感參數是生物過程控制和優化的關鍵。而理想的生物反應器系統應該要盡可能對于不同尺度操作參數和狀態參數進行檢測和分析，從而有可能構建一種優化的外在環境，使微生物的基因表達及代謝調控最有利于某種目的產物的生物合成，最大限度地積累目的產物。以上表明了生物過程的工程科學問題，即由宏觀動力學研究發展到基于生物過程信息處理的多尺度理論方法研究，由此來指導以生物反應器為核心的生物過程相關工程技術

9、發展。基于上述觀點，科技部國家生化工程技術研究中心(上海) 設計了一種以代謝流分析為核心的生物反應器系統，已由上海國強生化工程裝備有限公第2期王永紅等：生物反應器及其研究技術進展15司組織生產。該生物反應器系統包括各種用于細胞生理代謝特性檢測的先進傳感器、用于生物過程微觀代謝流分析的傳感反應器及控制系統、適用于細胞生理代謝參數相關分析的計算機軟件包和用于發酵過程數據處理及遠程分析的計算機互聯網系統等。該系統能夠盡可能多地獲得生物加工過程各尺度的生物信息，然后基于多尺度參數相關原理，通過計算機軟件的實時數據處理，在海量數據中找到以參數相關性特征為依據的過程優化關鍵參數，進而用來指導工藝操作、設備

10、設計或菌種篩選改造，最終實現過程優化與放大。該系統先后成功地應用于青霉素、紅霉素、鳥苷、金霉素、鏈霉素、黃霉素、泰樂霉素、克拉維酸、基因工程白蛋白、基因工程瘧疾疫苗、基因工程可利霉素、重組植酸酶、頭孢菌素C、輔酶Q和維生素B12等多種產品的生產過程優化，大幅提高了發酵單位的能力，其優化工藝一般可由幾十升發酵罐直接放大到上百立方米的工業生產發酵罐。2.2 先進在線儀表開發和應用以代謝流分析為核心的生物反應器系統配備了先進的傳感系統。除了具有pH、溫度、攪拌轉速、溶氧、轉子流量計等常規檢測控制參數外，還根據精確測定生物過程氧消耗速率(OUR)和CO2釋放速率(CER)的需要配置了熱質量流量計(進行

11、進氣流量的精確測定和控制，保證其不受進氣壓力的影響)、發酵液稱量系統、尾氣氧和CO2測量儀(尾氣成分測定儀或過程尾氣質譜分析儀)、置頂式硅油壓力傳感器。還可根據需要配置微觀代謝流分析傳感反應器及控制系統、原位活細胞濃度在線測定儀、細胞形態在線顯微觀測儀等在線傳感器。根據測定得到的直接參數，通過用于細胞生理代謝參數相關分析的計算機軟件包，可以計算得到CER、OUR和RQ等重要生理代謝狀態參數。過程尾氣質譜分析儀主要用于尾氣中O2、CO2和N2濃度測定。該質譜儀采用電子轟擊離子源，來源于不同發酵罐的尾氣經過在線預處理后，通過多通路旋轉閥不斷地輸入電離室形成離子，利用帶電粒子在電場中的運動規律，四極

12、桿質量分析器將離子源產生的離子按其質荷比(質量和電荷的比，m/z)進行分離，測定離子質量強度分布，得到化合物種類及其濃度信息，準確反映發酵尾氣成分變化。測量結果可被輸入到針對發酵過程設計的專用軟件包，實現與其他發酵參數的相關分析。尾氣質譜儀對相對分子質量300 以內的揮發性氣體成分都可以進行測定，因此還可根據發酵需要對乙醇、甲醇等小分子物質進行檢測。該儀器目前已由上海舜宇恒平科學儀器有限公司實現國產化。生物量是發酵過程重要參數。目前通常通過一些經典測定方法，如干質量、濁度等，進行離線測定而得到。原位活細胞濃度在線測定儀不但可以進行即時的在線測定，而且獲得的是生物學意義更為豐富的活細胞濃度。這對

13、于那些培養基中含有不溶固體物質的發酵過程尤為合適。活細胞測定儀原理是基于0.110MHz頻率范圍的交變電場中，發酵液中細胞表面如細胞膜會發生非導電極化，使得有完整原生質膜的活細胞基本上像一個電容器(一般脂質原生質膜的非傳導性本質使得電荷增長)，而死細胞、裂解細胞、細胞碎片、氣泡和其他基質組分基本上不可極化。利用雙電極施加上述頻率范圍交變電場，雙電極之間的電容測量值依賴于細胞類型和細胞大小，并在一定范圍內與活菌濃度成正比。原位活細胞濃度在線測定儀適用范圍包括各種動植物細胞、酵母、細菌及藻類等。但對于那些需用酸堿作為目的產物中和劑的發酵過程不合適，因為發酵液中過大的離子強度會干擾電容的準確測定。3

14、 大型生物反應器設計與放大3.1 生物過程及反應器放大從實驗室到工業生產特別是大規模的生產，都要解決生物過程反應裝置的放大問題。原因是隨著裝置的放大，物料的流動、傳熱、傳質等物理過程的影響因素和條件發生了變化。提高生物過程的放大效率、降低風險、實現工業過程與裝置的高效率是生物過程放大的主要目標。從二次世界大戰時期青霉素實現工業化大規模生產開始，浸沒培養方式使得攪拌通氣式反應器被視為工業生物技術發展的主要標志。然而，生物過程的復雜性使得生物過程的放大技術及理論發展一直是生物技術學家們致力于解決的問題，受到化工過程放大的影響，生物反應器過程放大主要借鑒化學工程傳統的放大方法，但是由于反應器內的流動

15、、傳遞和反應過程具有典型的多尺度特征，導致工業大型反應器內的微觀分子混合、流動、傳遞與反應的環境和狀態遠遠偏離實驗室小反應器，已經證明在滿足幾何相似和時間相似的條件下，不可能再滿足化學相似的條件。即使在化工過程放大中僅賴于全反應器平均值的經驗關聯式進行的放大都不能很好地解決過程放大所遇到的問題；而在生物過程放大中還涉及了復雜的生物代謝反應過程，受到環境條件的調控，相比化工過程更加復雜，存在更加復雜的多尺度特性。20世紀60 年代發展起來的數學模型方法是一種比較理想的過程放大方法，其提出的初衷是通過數學模型來描述化工過程中的反應及反應器內混合與傳質過程來進行設備和工藝的設計，同時預測不同規模的反

16、應工況并優化操作條件。這一技術的發展使化工過程放大理論得到了很大程度的充實，并且取得了很好的結果。與此同時也發展了多種用于描述生物過程的數學模型，基于數學模型實現生物過程的放大取得了一定的進展，同時也促進了生物反應工程學科的發展。基于前述對于生物過程工程科學問題的認識和生物過程及反應器放大研究現狀，筆者對生物過程及其反應器優化與放大形成了一條新的思路，即基于生物過程的高度復雜性，首先通過過多尺度參數相關與跨尺度觀察研究方法從海量的生物過程信息中找到影響過程優化的關鍵敏感參數(或群)，然后以這些關鍵敏感參數為基礎開展動力學研究(或建立過程數學模型)，實現生物過程及其反應器的有效放大。3.2計算流

17、體力學及其在生物反應器設計與放大中的應用近年來，隨著計算機技術的迅速發展，計算數學、計算機科學、流體力學、科學可視化等多學科綜合形成了計算流體力學研究(computational fluid dynamics，CFD)，為化工過程優化與放大進一步提供了依據，以生物過程研究為主體的生物反應器放大也開始運用CFD方法4。目前反應器內單相流的CFD模擬已較為成熟，并可結合實驗測定裝置如激光粒子測速儀(PIV)或激光多普勒測速儀(LDA)等實現模擬結果的驗證5。然而氣液兩相及氣液固三相流場模擬方法雖有應用但仍未十分成熟，因而對氣液固多相的生物反應器放大無疑存在一定限制；另外對包含高度復雜生命系統的發酵

18、過程，很難用一個有限參數的模型來描述預測不同規模的反應器工況下細胞的復雜代謝反應，因而還難以通過多相流動、傳遞和反應耦合過程與設備的機制模型及模擬技術實現過程放大。因此運用CFD方法與生物反應過程描述相結合來預測生物反應器過程并實現過程優化與放大是有困難的。但是從認識論的觀點來看，反應器內復雜過程的機制是可以認識的，可以通過知識的積累和實踐的檢驗逐步向正確的認識逼近。3.3傳統攪拌罐反應器改良近年來發酵工業快速發展使發酵工程設備趨向大型化、高效化和自動化，高效節能的大型生物反應器裝置的應用是降低生產成本不可或缺的關鍵技術。隨著反應器規模的增加，傳統攪拌反應器的攪拌及通氣裝置都在應用和研究中不斷

19、得到改進和創新。這時主要考慮的問題包括：氣液傳質性能、混合性能及剪切作用的大小，其中氣液傳質性能成為重點考慮的內容。隨著反應器規模的增加，傳統的多層徑流式攪拌槳變得不再適用。針對大型攪拌反應器內進行的好氧發酵過程，一般底層配備分散氣體的較大直徑徑流槳以提高供氧，而上層多采用軸流攪拌，增加氣體的混合時間并促進整體的混合，同時降低攪拌功耗。另外在氣體分布裝置上也出現了各種新的應用趨勢，例如魏洪普等6提到射流式氣體分布裝置的應用，一方面可以大大提高氣液傳質比表面積，另外也可節省大量的攪拌功率消耗，是一種理想的氣體分布裝置，但這種裝置形成的局部高剪切作用對剪切敏感性細胞的培養不能適用。隨著CFD模擬技

20、術的發展，將CFD模擬引入攪拌通氣反應器優化改造中的報道逐年增多。筆者所在課題組在工業規模反應器放大中即利用CFD模擬技術優化了用于頭孢菌素C放大的攪拌組合7，另外還比較了不同規模反應器內攪拌槳形式對放大前后流場結構的影響8。通過CFD模擬的方法不僅可以得到不同槳形結構對傳質混合的影響，而且可以定量計算傳值系數在空間的分布9，并有利用CFD與細胞動力學整合、用于建模并預測操作條件對發酵過程影響的報道10。這將是反應器攪拌與通氣設計的一個更加理性的技術手段。4 動物細胞及組織工程反應器4.1 動物細胞生物反應器進展傳統攪拌式動物細胞生物反應器最大體積已經達到25m3，并且成為工業過程生產的一個標

21、準選擇。它具有符合衛生要求、批次成本低、重復使用等優勢，但同時也要求復雜的員工操作培訓，包括高勞動強度的清理、滅菌、GMP驗證流程或者其他的常規流程。以上這些都增加了工業化過程的時間、成本和開發難度，延長了產品的上市時間。而對于處于研發期間或者中小生產規模的產品(100200L)，一次性生物反應器和某些袋式生物反應器提供了額外的選擇。盡管近些年來各種類型的一次性生物反應器層出不窮，但是其工程特性的研究尚不完善，尤其是逐級放大流程的標準制定，還需要進行更深入的研究。生物反應器設備的發展要適應生物醫藥產品研發和生產的需求，比如更短的工業化開發周期、生產的生物安全性、工業化生產的成本控制等。這使得生

22、物反應器的發展除傳統攪拌式動物細胞生物反應器外，根據用途不同而產生更多分支，其中包含更多個性化生物反應器。主要體現在如下幾個方面：微型生物反應器，主要代表為實驗室小體積生物反應器優化系統，主要用于細胞菌株篩選、培養基優化和其他用途。這樣的系統往往采用微孔板、微管、攪拌瓶或者搖瓶作為細胞培養的載體，同時配有各種過程參數檢測設備，并可以實現在線高通量檢測11。裝備復雜檢測設備和控制設備的過程研究系統，主要用于實驗室和中試研究中，系統往往含有多級生物反應器，與實驗室微生物反應器系統有很大的不同，每個生物反應器都包含有完整的配件，比如攪拌槳、通氣設備等，不僅如此，還包括活細胞在線檢測設備、在線生化分析

23、設備甚至在線顯微鏡等。通過詳細研究細胞在每級生物反應器的培養數據，可以獲得大量工程參數，為生物反應器逐級放大工藝提供依據，最終可縮短工業化生產所需的時間。模擬工業模式的實驗室臺式生物反應器系統，這些生物反應器一般都由工業分布控制系統(DCS)控制，在系統中可以使用嵌入的模型和分析、監控、調試、控制工具等。這些實驗室臺式反應器易于操控，配以工業控制模塊，可以模擬工業控制模式，測試模型以及用于流程優化等，達到優化工業控制過程的目的。低成本生物反應器，主要是通過新型驅動和循環模式減少傳統生物反應器的必須組件，降低采購設備的一次性投入。這種生物反應器的適用性較窄，往往僅針對某幾種特定的產品，按照其工藝

24、設計，可以去除生產流程中不需要的設備，對于控制成本有非常好的效果。在某些特定的情況下，不失為完整生物反應器外的另一種選擇。一次性生物反應器，種類非常多，包括膜生物反應器、波浪式袋生物反應器、攪拌式袋生物反應器、氣體驅動袋生物反應器和搖動式袋生物反應器等12。近十年來，藥物生產成本壓力和制藥行業模式的改變催生了一次性生物反應器在藥物研發和生產中的快速發展，大量研究證明了中小規模體積的一次性生物反應器在藥物研發過程中能夠起到更高的效率。4.2一次性生物反應器一次性生物反應器的體積從10mL 到2m3不等，主要用于篩選試驗、治療抗原的生產(重組蛋白、抗體、次級代謝產物等) 和病毒的生產(獸用和人用疫

25、苗)。預先滅菌的培養容器是一次性生物反應器中最關鍵的部分，其制作材料必須為美國食品與藥物管理局(FDA)批準的特殊材料，且僅為單次使用。不同類型的培養容器在設計、材料類型、體積、能量傳遞和功率輸入等方面都可能有所不同。近年在對一次性生物反應器的研究中有3種驅動類型的生物反應器較為典型：搖動式生物反應器、攪拌式生物反應器和波浪混合式生物反應器，其中機械驅動類型的重要性越來越得到認可13。盡管工作原理和驅動設備各不相同，但是它們都能夠提供良好的細胞生長環境，其最大細胞密度和蛋白產量已經達到了相同類型的玻璃和不銹鋼生物反應器的水平。隨著一次性生物反應器的發展，一次性生物反應器的培養規模和應用范圍逐漸

26、擴大，涉及培養各種工程細胞株，甚至干細胞，而反應器的類型特點將決定它們的應用和發展。動物細胞一次性生物反應器類型的選擇取決于一系列因素。培養工作特點(培養生物量和表達產物)和細胞株特性是最主要的因素。而生物反應器的最大培養體積和工程參數，包括流體參數、混合時間、剪切力分布等也同樣很重要。比如，波浪混合式反應器的低剪切力特點更適合于某些對剪力敏感的細胞株14。此外，法規需求( 生物安全和GMP要求)、資金和運行費用也需要考慮。通常情況下，對于有不銹鋼攪拌式生物反應器使用經驗的企業來說，更容易采用攪拌式一次性生物反應器。但是種子制備階段，低剪切力的波浪式反應器仍然占主導地位。現階段生產規模超過50

27、0L以上的一次性生物反應器只有攪拌式的，它只裝備了微泡或者環形通氣管以及水平攪拌槳等基本設備，這限制了一次性生物反應器的適用范圍。一次性生物反應器具有顯而易見的優點：操作簡單、泛用性、更高的生物安全性、過程優化簡單和一次性投入較低等，促進了其更深入的發展。盡管動物細胞株改造和篩選技術以及動物細胞培養基篩選優化技術的深入研究已經使得抗體和蛋白的產量大幅提高，這似乎為一次性生物反應器的廣泛應用鋪平了道路。然而，由于傳統攪拌式生物反應器在過去幾十年中的穩定出色表現和其近乎無限擴大的生產體積，因此似乎也不可能在未來完全被一次性生物反應器所取代。4.3組織工程3D反應器傳統組織工程反應器往往采用的是靜態

28、培養，即單層細胞培養。這種體外組織構建中的細胞支架共培養技術，就營養傳輸而言，一般不會受到營養限制，這是因為營養的被動擴散足以通過單層細胞10m左右的厚度。但當組織厚度超過100200m時營養物質的擴散和代謝產物的排出就會受到明顯限制，最終導致細胞無法在大段支架深部存活。顯然，靜態培養已無法滿足大段支架與細胞共培養的要求。因此，改變傳統培養方式，促進種子細胞在大段支架中心存活才能打破構建大段組織工程化這一瓶頸。不同于傳統的二維化單層細胞培養，三維細胞培養技術(three-dimensional cell culture，TDCC)是指將具有三維結構的不同材料的載體與各種不同種類的細胞在體外共同

29、培養，使細胞能夠在載體的三維立體空間結構中遷移、生長，構成三維的細胞載體復合物。TDCC作為體外單層細胞系統的研究與組織器官及整體研究的橋梁，顯示了它既能保留體內細胞微環境的物質及結構基礎，又能展現細胞培養的直觀性及條件可控性的優勢。此外，由于三維細胞培養可獲得與二維單層培養完全不同的結果，因此，在篩選新藥的療效分析和毒理實驗方面，三維細胞培養也得到了越來越廣泛的應用。就培養體系中的細胞總量而言15，以體外構建工程組織、器官的細胞三維培養一般遠低于生物活性蛋白和疫苗生產的細胞培養規模。在提高培養裝置的傳質、傳熱、傳氣速率的同時又能充分兼顧流體動力對細胞生長和分化的不利影響是細胞三維培養對新的培

30、養裝置的基本要求。既能為細胞三維培養提供有利于細胞分化和組織型表達的物理參數，又能對細胞三維培養進行動態監測，是對細胞三維培養裝置的理想化要求。要滿足這些要求需要突破現有的生物反應器的設計模式。模擬微重力環境的旋轉細胞培養系統為能基本滿足細胞三維培養的新興培養裝置的設計提供了有益的借鑒16。一種旋轉式并實時透氣的生物反應器系統為細胞和聚合物結構體提供了最理想的氧氣條件和連續的力學刺激。由National Aeronautics and SpaceAdministration(NASA)研究開發的一種旋轉式生物反應器(rotating-wall vessel，RWV)17不但可以提供理想的供氧條

31、件、較低的剪應力和振蕩，而且還可以模擬微重力環境，在骨組織工程的研究中已經得到了廣泛的應用。這些反應器系統雖然能夠使支架表面的氧和營養物質充分混合，但是很難將培養液輸送到支架內部旋轉灌注式生物反應器作為一種新型的反應器18，兼具旋轉壁式反應器和灌注型反應器的優點。可見，旋轉灌注式生物反應器提供的動態培養不僅具有利于細胞生長的微環境，而且存在一定的應力刺激，可保證細胞在大段支架中心的存活，并促進細胞功能的發揮。5酶反應器目前生物催化與轉化的產品已經觸及人類生活的方方面面，包括大宗化學品、精細化學品、食品、醫藥、農藥、飼料添加劑等。酶反應器作為生物催化的反應裝置，依據生物催化轉化反應的特性而設計，

32、是實現工業生物催化的關鍵設備。與其他生物反應器不同，生物催化反應的介質體系和反應條件是非常多樣化的，這要求相應的酶反應器必須量身定制。雖然單一水相介質是傳統生物催化過程常用的介質體系，但是新一代工業生物催化的許多底物大多是人工合成的非天然底物，在水中的溶解度比較低，并且經常面臨底物、產物的抑制問題，采用兩相介質體系可以很好地解決這些問題。具有較高logP值(P是該物質在正辛醇與水相的分配系數) 的水不溶性有機溶劑具有良好的生物相容性，可以用作底物的儲庫，與水相緩沖液構成液液兩相體系，反應過程中隨著水相底物的轉化，有機相中的底物持續擴散、傳遞到水相，維持水相底物濃度相對恒定，從而實現低溶解度底物

33、的高效轉化19。離子液體(ILs)是另一類非常好的液相選擇，其應用呈現日益擴大趨勢20。對于水不溶性的液態底物，也經常選擇高分子吸附樹脂作為儲存底物的另一相，通過樹脂對底物、產物的吸附作用，解除抑制效應，實現高濃度底物的上載。對于單加氧酶催化的反應，O2是必需的，這樣就進一步構成了液液氣或固液氣三相體系。酯酶、脂肪酶等可在很低水活度環境中發揮催化作用，因此可以采用低水活度介質體系，比如微水有機溶劑介質、逆膠束體系，或直接使用液態底物作為反應介質。此外，人們發現，超臨界CO2也是一種比較出色的生物催化介質。近年來，氣固兩相反應體系也常見報道21。對于單一介質體系，柱型反應器是一種非常好的反應器形

34、式，剪切力小，可以有效避免催化劑的失活，并且很容易實現連續化操作，目前其最大規模的應用是葡萄糖異構化制備高果糖漿，年產量達到上千萬噸。對于兩相或多相反應介質體系，攪拌釜型反應器的應用比較廣泛，其結構簡單，可以實現多相復雜體系的高效混合。攪拌產生的剪切力以及液液兩相界面是使催化劑失活的重要因素，因此采用中空纖維膜反應器可以有效地避免攪拌失活，催化劑被限制在中空纖維膜壁上或在殼層中循環，而底物溶解于水不溶性介質中，在管內循環，這樣有效地避免酶與底物、產物的直接接觸，避免了界面失活作用。生物催化產品的分離、提取、純化是產品生產的重要環節，據不完全統計，產品的后處理成本通常占到生產總成本的80%左右。

35、充分利用產品的性質，將反應過程與產品分離過程耦合，開發反應分離耦合酶反應器，通過高性能不對稱膜的截留、隔離作用22，結合蒸餾、結晶、電滲析、滲透蒸發、層析等產物分離提取的單元操作，可以以較低的成本實現產品的原位分離(in-situ product removal)。這樣的酶反應器不僅可以簡化產品的分離，而且可以很好地實現生產的連續化，是酶反應器設計的重要趨勢。操作的穩定性和連續化是酶反應器工業化應用的關鍵，隨著工業生物催化的日益廣泛應用，今后酶反應器的發展取決于以下幾點：新生物催化劑的開發及其固定化技術的長足進步。開發更高活性、高穩定性，具有優異機械操作性能的固定化酶/細胞催化劑，對于酶反應器

36、的長期、穩定運轉至關重要；膜分離技術的不斷發展和操作性能更優異的膜材料及組件開發。與有機膜相比，金屬膜、陶瓷膜具有更好的操作性能，污染小，易清洗，預計將獲得廣泛應用；反應分離耦合模式的深度開發及應用。拓展分離耦聯模式酶反應器的形式，更好地節能減排，使生物催化過程更加綠色，充分體現生物催化的優勢。參考文獻:1張嗣良工業生物過程優化與放大研究中的科學問題:生物過程環境組學與多尺度方法原理研究J中國基礎科學，2009(5):27-322Klumpp S，Zhang Z，Hwa T Growth-rate dependent global effects on gene expression in b

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