生物反应器

生物反应器（Bioreactor）是指任何提供生物化学反应的适当环境或工程设备。通常是指利用酶(由一个或一群酵素所推动)或生物体（如微生物）使装置具有模拟生物的功能，可在细胞外进行生化反应，在模拟的过程中既可进行有氧反应也能进行无氧反应。这些系统在酒类、组织工程、生化工程、医药生产、有机污染物降解...等应用上是相当重要的一个装置。

在来源上可分为自然生物反应器(如人的胃)及工程生物反应器(如发酵罐、固定化酶或固定化细胞反应器等，这些生物反应器通常呈圆筒状，其体积从几升到几立方米不等，常由不锈钢制成)两种。

依原料加入的方式可分为批次式反应器(Batch reactor)、馈料批次式反应系统(fed batch)以及连续流反应器(Continuous reactor)(如连续搅拌釜式反应器、恒化器)三种。

生物反应器与化学反应器不尽相同，化学反应器从原料进入到产物的生成过程中常需要加压和加热，属于一个高耗能的装置。而生物反应器则不同，在酶和微生物的参与及常温常压下就可以进行化学合成。因此，生物反应器问世之后受到化工部门的重视。化学工程专家认为，应该尽可能地让化学合成的过程改由生物去完成，因此设计理想的生物反应器，就成了现代生物技术产业的一个重要任务。

在生物反应器中生长的微生物可以被浸泡在液体介质中或附着在固体介质表面。被浸泡的培样物质可分为悬浮性与固定化：

- 悬浮性生物反应器不需要特别的附着表面，因此可使用更多种类的生物体，而且可较固定化培养进行更大规模的培养操作；但在连续操作过程中，微生物将从反应器中与流出物一同去除。
- 固定化是一个通用术语，描述多种细胞、颗粒附着体或包封。基本上它可以应用于所有类型的生物催化，包括酶、胞器、动物和植物细胞。其在连续操作的过程中非常有用，因为生物体不会与反应器流出物一同除去，但也因此在操作规模上受到限制，因为该微生物是只存在于有限的容器表面上。

大型固定化细胞生物反应器举例:

- 移动床生物反应器(moving media)( MBBR )
- 填充床反应器( packed bed )
- 纤维床生物反应器( fibrous bed )
- 生物膜
- 生物膜反应器

## 生物反应器的设计

生物反应器的设计是一个复杂的生化研究工程科学任务。设计的目标是制造最佳的环境，使微生物或细胞能表现其功能，并产生杂质含量符合标准以内的产物。生物反应器内的温度、养分浓度、pH值和气体溶解度(尤其是关于氧气的有氧发酵)等变因皆会影响生物体的生长和生产力。

- 温度：发酵培养基的温度可借由单独使用冷却夹套、线圈或同时使用两者来保持；在放热发酵反应进行时，需额外使用外部热交换器。在馈料批次式反应系统(fed-batch system)中，微生物生长所需的营养物质可在培养过程中连续的加到发酵罐(fermenter)中，或在发酵初始时加入反应器中。
- PH值：利用少量的酸或碱测量和调整培养基的pH值，不同生化反应所需的PH值皆有所不同。
- 气体溶解度：反应气体（尤其是氧气）对于有氧（和少部分厌氧）发酵而言为必须反应物，但由于氧对于水（几乎是所有发酵培养基的基础）溶解度较低，故其含量对于空气来说是相对稀少的（20.95％），因此必须连续地添加空气（或纯氧）至反应系统中。在溶液中的上升气泡可充分混合发酵培养基，也可同时“摆脱”溶液中的废气，如二氧化碳。一般来说，生物反应器都会加压，以增加水中的溶氧量。氧气的运输通常是经由搅动来完成，也同时保持营养物质的均匀分布，帮助匀相发酵反应进行；气体分散搅拌器(Gas dispersing agitators)就是用来打破的气泡使其均匀分布于整个容器中的工具。

垢会损害生物反应器的整体效率，尤其是系统中热量的交换。因此为了避免垢的产生，生物反应器的设计必须易于清理，内表面通常由不锈钢制成，以便清洗和消毒；典型生物反应器则会在批次间清洗，或以特殊设计减少连续操作中结垢的可能性。

系统热传导的好坏会间接或直接影响整体反应，因此生物反应器的热传导能力是设计的一个重要部分；小导管可利用冷却夹套来冷却，但较大的导管就可能需要线圈或外部热交换器。

## 生物反应器的种类

### 光反应器(photobioreactor)

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光反应器（PBR）是一种内含光源系统的生物反应器，几乎所有的半透明容器都可称为PBR，但是该术语比较常用来描述一个封闭的系统，而不是一个开放式水箱或水池。光反应器可用来培养自营生物(如蓝细菌、藻类、苔藓或植物)。这些微生物利用光合作用作为其能量来源，不需要利用糖或脂肪代谢作为其能量来源，因此其外来微生物污染(如细菌或真菌)的风险低于异营生物反应器。

### 污水处理(Sewage treatment)

生物反应器也被设计用来处理污水和废水。以下举例三种污水处理法：

- 滴滤池法

为最有效的系统，能提供有流动性(free-flowing)且具有化学惰性(chemically inert)的培养基，让细菌分解未经处理的污水。这些处理过程通常会经过一连串独立、有顺序性的大型反应槽、机械分离器(mechanical separator)或旋风分离器(cyclone)，以加速水和污泥的分离。其中的曝气(Aerators)过程使氧气溶入污水和培养基中加快污染物的分解。可同时处理大量污水，故常被利用于都市废水处理。

- 活性污泥法

潜水搅拌机(Submersible mixers)在缺氧生物反应器中提供鼓动(agitation)，以保持固体颗粒悬浮在溶液中，从而保证细菌和有机物质有“相遇”的机会，并经过分解处理后，使液体的生化需氧量（Biochemical Oxygen Demand, BOD）降低到足以再次被利用。用此方法处理污水的过程中会产生大量的固体有机质，即生物固形物(biosolids)，其可被收集并做进一步处理或干燥后当作肥料。

- 微生物自净法

一个非常简单的污水处理生物反应器，指设置一个化粪池(使污水留在原地)，并加入(或没有)介质提供适当环境给细菌；在此系统中，生物污泥(biosludge)本身就是细菌的主要营养提供者（activated sludge, 活性污泥），属于一封闭系统，故不受洪水或水饱和土地(saturated ground)的影响，但处理所需时间较长，因此适合有足够土地，且不在乎污水处理效率的地区。

微生物为推动生物废水处理的动力引擎，密切监测微生物在生物反应器的数量和质量是重要的关键。可利用ATP检验(ATP test)来监测。

### 滚筒式生物反应器(rotating-wall vessels)

滚筒式生物反应器是目前组织工程领域最为广泛应用的生物反应器。主要目标是用来培养试验或治疗用细胞及组织的生物反应器，在设计上相对于工业生物反应器有显著的不同。许多细胞和组织(尤其是哺乳动物的组织)，必须有一个稳定的表面或其他结构支撑以帮助其成长，故鼓动的环境往往会破坏这些细胞和组织的稳定生长。高等生物细胞是营养缺陷型(auxotrophic)，需要其他高度专业化的生长介质辅助。

美国国家太空总署(NASA)已经研制出一种新型滚筒式生物反应器(NASA tissue cloning bioreactor)，能够培养人工组织细胞(如心脏组织、骨组织、韧带、癌组织和其他类型的组织) 以提供科学研究。

关于人工组织培养的更多信息，请参阅组织工程。

## 延伸阅读

- Pauline M Doran, Bio-process Engineering Principles, Elsevier, 2nd ed., 2013 ISBN 978-0-12-220851-5