CN102127505B - 固定化细胞生物反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种固定化细胞生物反应器，尤其是一种可连续生产的固定化细胞生物反应器，及其在生物活性物质连续酶解中的应用。主要由反应容器和置于反应容器内的载体组成，载体带有固定化细胞，原料液经载体内固定化细胞酶解，生成目标产物，其特征在于所述载体为一整块呈中空圆柱状的多孔材料，原料液注入该中空部，在渗透载体的过程中经载体内的固定化细胞酶解，得到目标产物，排出容器外。属于一种可连续化生产的固定化细胞生物反应器。
Description
技术领域
本发明涉及一种固定化细胞生物反应器，尤其是一种可连续生产的固定化细胞生物反应器，及其在生物活性物质连续酶解中的应用。
背景技术
固定化技术是指利用各种理化方法将游离细胞或酶束缚在特定的空间区域内，提高细胞或酶的浓度，并保持生物活性和反复利用的一种技术。利用这种技术制得的细胞或酶称为固定化细胞或固定化酶。
酶技术常应用于生物大分子的水解以制备具有生理活性的各种小分子物质。然而游离酶在反应结束后，混在产物中增加了产物分离的难度，而且游离酶直接暴露在环境中，其催化活性受各种理化因素的影响较大。1916年Nelson和Griffin首先制备出固定化的酶，而直到1953年Grubhofer等人才真正开始有效的研究。与游离酶相比，固定化酶具有以下优点：1）酶的催化效率高；2）可重复利用，生产费用低；3）没有酶脱离到产物中，额外加工少；4）酶受到外界的影响小，酶的稳定性高；5）改善了酶的行为；6）能够实现连续化生产，可控性强，产品质量有保证；7）有利于多酶系统的利用。
然而，固定化酶技术仍然需要先将脂肪酶从细胞中提取出来，提取工艺通常比较复杂，而且酶在提取和固定化过程中容易失活。1959年，Hattori和 Furusaka 首次将大肠杆菌E.coli 吸附在树脂上，实现了细胞固定化。1973年，含有L-天冬氨酸酶的微生物被固定化，并用于L-天冬氨酸的生产。20世纪70年代末，动物、植物固定化细胞技术也得到了快速的发展。目前随着对细胞固定化技术的深入研究，固定化活细胞或称为固定化增殖细胞的研究工作几乎涵盖了所有的微生物发酵工艺，已有大量的研究文献发表，并且部分研究成果已应用于生产实践，比如啤酒生产、氨基酸、有机酸发酵、抗生素生产和污水处理等。
与固定化酶相比，固定化细胞主要具有以下几个优点：1）不需要将酶从微生物细胞中提取出来并加以纯化，酶活力损失小、成本低。2）细胞生长停滞时间短，细胞多、反应快，抗污染能力强，可以连续发酵，反复使用，应用成本低。3）酶处于天然细胞的环境中，稳定性高。4）使用固定化细胞反应器，可边加入培养基，边培养排出发酵液，能有效地避免反馈抑制和产物消耗。5）适合于进行多酶顺序连续反应。6）易于进行辅助因子的再生，因而更适合于需要辅助因子的反应，如氧化还原反应、合成反应等。因此，该技术的应用已经超过固定化酶的应用。
固定化细胞技术虽然具有广阔的应用前景，但大多是在实验室规模上进行研究，要真正实用化或工业应用，还有以下问题需要解决：1）固定化细胞的稳定性问题，由于固定化的材料对微生物的毒性、固定化条件、固定化过程中的放热等都对细胞有影响而使部分细胞失活。2）固定化细胞批量生产装置的开发，这是固定化细胞技术从实验室走向实际应用的重要一步。3）廉价耐用的固定化载体及复合固定化技术的研究与开发。4）高效固定化反应器的开发。当前，固定化细胞技术的生产能力和在工业上应用的可行性，在很大程度上取决于反应器的构造。因此，这些问题的成功解决，特别是固定化细胞批量生产装置，即固定化细胞生物反应器的开发对于固定化细胞技术在工业上的广泛应用将起到极大地促进作用，并将显著提高工厂的生产效率和节约生产成本，从而有力地提高我国产品的竞争力。
影响反应器结构设计的因素包括固定化方法、固定化细胞载体的形状、大小、密度及其机械强度、底物的性质、抑制作用、流体动力学的特性以及经济因素等。固定化细胞生物反应器按其用途可以分为生物转化反应器、细胞生长与代谢产物耦联型及非耦联型生物反应器三类；按照操作形式和方式可分为批式、半连续型、连续型三类；按照生物细胞的类型可分为固定化微生物细胞反应器、固定化植物细胞反应器和固定化动物细胞反应器；按照催化物的分布形式分为填充床、流化床、气升式、鼓泡塔式、中空纤维式、膜式固定化细胞生物反应器等。
填充床固定化细胞生物反应器操作简单、易于扩大生产规模，可实现连续化生产，生产费用较低，但由于混合效果不好，常使床内氧的传递、气体的排出、温度、pH的控制较困难，如支持物颗粒破碎还易使填充床阻塞。流化床固定化细胞生物反应器易于控制反应过程，催化能力集中，易于清除细胞，混合度好，但操作难，流体的切变力和固体化颗粒的碰撞常使支持物颗粒破损，另外，流体的切变力学复杂使其放大困难，且费用较高。气升式和鼓泡塔式固定化细胞生物反应器细胞生长速率高，混合度好，对细胞有良好的剪切保护，但均适用于细胞团或固定化颗粒，要求其密度与培养基密度相近，以便悬浮于培养基中，后者采用了搅拌器，需要严格控制搅拌速率，过快容易导致细胞团或固定化颗粒受到机械损伤，过慢则会导致传质不均，且不易于生产放大，费用较高。中空纤维式固定化细胞生物反应器对细胞有剪切保护，生产率较高，下游处理较简便，但难于放大，难于控制反应过程，费用较高。膜式固定化细胞生物反应器催化效率很高，操作压下降较低，流体动力学易于控制，易于放大，而且提供更均匀的环境条件，同时还可以进行产物的及时分离以解除产物的反馈抑制，下游处理简便，是目前连续化大生产中应用最多的一种生物反应器，但构建这种反应器的成本较高。
发明内容
本发明设计的新型固定化细胞生物反应器是针对现有固定化细胞生物反应器的不足，提供一种可连续化生产的固定化细胞生物反应器。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
固定化细胞生物反应器，主要由反应容器和置于反应容器内的载体组成，载体带有固定化细胞，原料液经载体内固定化细胞酶解，生成目标产物，其特征在于所述载体为一整块呈中空圆柱状的多孔材料，原料液注入该中空部，在渗透载体的过程中经载体内的固定化细胞酶解，得到目标产物，排出容器外。
所述反应容器的底部设置一个底盘，底盘活动连接若干扰流挡板，底盘的中部开有与载体形状相适应的圆柱形基座，用于固定安装载体。
所述中空圆柱状载体的内壁配设隔离圆筒，外壁配设保护套。
所述保护套包有细胞过滤膜。
原料液经独立进样管直接输送至载体的中空部。
所述反应容器内设独立通气管，压缩空气经独立通气管直接输送至载体的中空部。
所述多孔材料为聚氨酯泡沫。
所述载体中空部轴向安装有搅拌装置，该搅拌装置主要由设有搅拌桨和消泡耙的搅拌轴和驱动电机组成。
一种用固定化细胞生物反应器富集粗鱼油中多不饱和脂肪酸的方法，包含以下步骤：
1）、固定化细胞:将假丝酵母细胞均匀固定于载体上；
2）、循环生产：将粗鱼油输送至载体的中空部，在渗透载体的过程中经载体内的假丝酵母细胞酶解，得到包含多不饱和脂肪酸的初级产物，初级产物再次输送至载体的中空部进行再次酶解，进行多次循环后得到包最终目标产物。
与现有固定化细胞生物反应器相比，本发明涉及到的多用途固定化细胞连续生物反应器具有以下优势：
1）载体来源广、价格便宜，容易放大，适合工业化大规模生产；
2）创新地设计一种隔离圆筒，通过与载体的协同作用，将原料与产物分开，实现工业生产的连续化；
3）以整块聚氨酯泡沫为载体，避免了载体相互撞击造成的固定化颗粒破碎或细胞“洗出”；
4）载体为中空圆柱状，通过在中部适当施压和机械搅拌，可以使原料液以一定的流速通过固定有微生物细胞的载体，传质阻力小，液体剪切力小；
5）搅拌器不与细胞及其载体直接接触，避免了机械损伤。
附图说明
图1 为本发明固定化细胞生物反应器各主要部件分解示意图。
图2 为本发明固定化细胞生物反应器底盘结构示意图。
图3 为本发明新型固定化细胞生物反应器另一种底盘结构示意图。
图4为本发明的中空圆柱状载体结构示意图。
图5 为本发明固定化细胞生物反应器用于游离细胞发酵的侧视结构示意图。
图6 为本发明固定化细胞生物反应器用于固定化细胞发酵的侧视结构示意图。
图7为本发明中央隔离圆筒组装示意图。
图8为本发明载体组装示意图。
图9为本发明保护套组装示意图。
图10 为本发明固定化细胞生物反应器内外液体流路示意图。
图11 为本发明固定化细胞生物反应器用于固定化产酶菌酶解原料的剖视结构示意图。
其中，图中各附图标记含义见下表：
具体实施方式
以下结合附图对本发明技术路线作进一步的描述：
一种新型固定化细胞生物反应器，其原型是传统圆柱状玻璃发酵罐，主体包括反应器盖、反应器外壳和反应器底。其中，反应器盖和反应器底由不锈钢制成，形状皆为圆饼状，反应器壁为玻璃制成，形状为圆柱状，径高比为1:1.2~1:1.8。这种新型固定化细胞生物反应器是对传统发酵罐进行有目的地改造而制成的，主要表现在在发酵罐底部添加一个不锈钢底盘、设计一种可以与载体协同作用实现将原料液与反应液隔离的隔离圆筒、改造反应器内外的管路以实现原料液的连续和重复酶解。
作为本发明的一个优选方案，前述的新型固定化细胞生物反应器，其中所述的底盘可以设计成如图2所示。底盘直径（d1）与反应器内径（d2）之比满足1:1.2
d1/d2 
1:1，盘上边缘、距底盘圆心0.9d1处分别钻有对称的四个小孔2-8，孔内表面刻有螺纹，可与挡板螺纹区1-13吻合，小孔深度（h1）与底盘高度（h2）满足0.7h1/h2 
0.9，孔径与挡板螺纹区直径相等。底盘中间留有一圆柱形空间，其直径（d3）与底盘直径（d1）满足0.2
d3/d1 
0.3，深度（h3）与底盘高度（h2）满足0.9h3/h2 1.0，搅拌轴基座安装在空间中央，基座高度（h4）与空间深度（h3）满足0<h4/h3 
1，通气管环形管路环绕基座。空间上方对应部分固定有一金属圆环（图2：2-2），圆环内径（d4）与空间直径相等，环内表面刻有螺纹，与隔离圆筒下端吻合，圆环1-4高度（h5）与隔离圆筒螺纹区2-2长度（h6）满足0<h6/h5 
1。管路2-3、管路2-4分别为补料管的纵向部分和横向部分，管路2-5、管路2-6分别为通气管的纵向部分和横向部分，其中管路2-4、管路2-6与底盘2-7焊接在一起。
前述的新型固定化细胞生物反应器，其中所述的底盘还可以设计成如图3所示。底盘直径（d1）与反应器内径（d2）之比为1:1，管路3-1、管路3-2分别为进样管的纵向部分和横向部分，管路3-3、路3-4分别为通气管的纵向部分和横向部分，其中管路3-2、管路3-4内置于底盘中，管路3-1、管路3-3通过管路下端螺纹与管路3-2、管路3-4连接。
前述的新型固定化细胞生物反应器，其中所述的位于底盘中央的隔离圆筒1-3由不锈钢制成，螺纹区外径（d5）及圆筒内径（d6）与圆环内径（d4）相等，圆筒厚度（h7）满足0mm<h7 1mm，圆筒高度（h8）与反应器壁高度（H）满足0.8
h8/H
0.9。圆筒上端具塞1-2，塞子中央安装有一密封圈，允许搅拌轴穿过塞子；圆筒下端有螺纹接口2-2，可以与底盘中央的金属圆环吻合，筒壁上除上端与塞子接触的部位和下端螺纹区外，其余部分均匀分布若干小孔，直径（d7）满足0mm<d7 
5mm，便于液体的流出。搅拌桨和消泡耙安装在搅拌轴上，搅拌桨直径（d8）满足0.6<d8/d6<1.0，消泡耙直径（d9）满足0.7<d9/d6<1.0。组装好的隔离圆筒如图6所示。反应时，原料液通过进样管2-3、进样管2-4或进样管3-1、进样管3-2进入隔离圆筒。
前述的新型固定化细胞生物反应器，其中所述的载体形状为中空圆柱状（图4），内径（d10）稍大于隔离圆筒外径，以刚好能套在隔离圆筒上为宜，外径（d11）满足d10 
d11 d1。载体高度（h9）与圆筒高度（h8）满足0.8
h9/h8 
1.0。
前述的新型固定化细胞生物反应器，其中所述的载体是由一整块聚氨酯泡沫制成，载体的材料也可以是其他多孔性材料，如多孔陶瓷等，多孔材料的孔径应与被固定的细胞相适应。
前述的新型固定化细胞生物反应器，其中所述的载体外安装有一个保护套（图1：1-12）。保护套为一不锈钢圆筒，内径稍大于载体外径，以刚好能套在载体上为宜。保护套壁上均匀分布若干小孔，直径（d12）满足0mm<d12 
5mm，便于液体的流出，可以根据需要增设细胞过滤膜，减少细胞流出载体而混入产物中。
前述的新型固定化细胞生物反应器，在不安装隔离圆筒、载体、载体保护套的情况下，通过在底盘相应位置安装四块挡板，该反应器可用于传统游离细胞发酵（图5），可以用于摸索待固定细胞的生长和产酶条件及优化发酵培养基的成分和发酵条件。
前述的新型固定化细胞生物反应器，用于固定化细胞发酵时，不用安装挡板，需要依次安装隔离圆筒（图7）、载体（图8）、载体保护套（图9），安装好的固定化细胞生物反应器如图5所示。
前述的新型固定化细胞生物反应器用于DHA/EPA、风味肽等海洋活性物质的连续酶解富集和多次酶解制备，其中所述的连续酶解富集是通过如图10所示的流路实现的。初始培养基在循环泵的作用下，经流路10-15进入反应器隔离圆筒中，再从载体中压出，直至反应器内培养基或原料液的体积达到反应器容积的60%~80%。种子液在压缩空气的作用下，经流路10-7、流路10-15进入隔离圆筒。待细胞固定在载体中后，以原料液取代初始培养基，继续利用循环泵10-5将原料液经流路10-15泵入隔离圆筒，同时，开启循环泵10-6，将渗到载体外的反应液抽出，经流路10-17进入收集瓶中。如此实现目标产物的连续酶解富集。
前述的新型固定化细胞生物反应器用于DHA/EPA、风味肽等海洋活性物质的连续酶解富集和多次酶解制备，其中所述的多次酶解制备是通过如图10所示的流路实现的。原料液加入隔离圆筒中后，关闭阀门10-9、阀门10-11，利用循环泵10-6将渗到载体外的反应液经流路10-10、流路10-15重新泵入隔离圆筒中，进行二次酶解反应。通过定时取样检测，确定重复酶解的次数。如此实现目标产物的多次酶解制备。
前述的新型固定化细胞生物反应器用于DHA/EPA、风味肽等海洋活性物质的连续酶解富集和多次酶解制备，其中种子液按图10所示的流路接入。先关闭阀门10-8，种子液通过接种口进入接种瓶，压缩空气从流路10-13通入，压迫种子液由流路10-14、流路10-15进入隔离圆筒，如此完成菌种的接种。接种量为反应器内培养基体积的1%～10%。
实施例一：如图6所示，本发明设计的是一种在传统发酵罐基础上改造而成的，可用于细胞固定化的新型生物反应器。反应器整体呈圆柱状，内径d2=240mm，高度H=360mm，径高比为1:1.5，反应器实际可用容积15L。底盘直径d1=200mm，d1/d2=1:1.2，高度h2=10mm，通过焊接或者螺丝固定在反应器底部中央，盘上边缘、距底盘圆心0.9d1处钻有对称分布的可安装挡板的四个小孔，小孔深度h1与底盘高度h2之比为0.9。底盘中央留有一圆柱形空间，直径d3=50mm，d3/d1为0.25，深度h3=10mm，h3/h2=1.0，搅拌轴基座安装在空间中央，其高度h4=8mm，h4/h3=0.8，通气管环形管路环绕基座，进料管与通气管的横向管路内置于底盘中，并贯穿底盘。空间上方对应部分固定有一金属圆环，圆环内径d4=50mm，圆环高度h5=10mm，环内表面刻有螺纹，与隔离圆筒下端螺纹区吻合，从而将隔离圆筒固定在底盘上。隔离圆筒螺纹区外径d5=50mm，圆筒内径d6=50mm，厚度h7＝0.5mm，高度h8=300mm，h8/H=0.833。圆筒上端具塞，塞子中央安装有一密封圈，允许搅拌轴穿过塞子，下端刻有螺纹，螺纹区长度h6=10mm。圆筒壁，除上端与塞子接触的部位和下端螺纹区外，其余部分均匀分布若干小孔，孔径d7=1mm。搅拌轴内置于圆筒内，轴上安装有搅拌桨和消泡耙，搅拌桨直径d8=40mm，消泡耙直径d9=45mm。载体采用一整块聚氨酯泡沫制成，形状为中空圆柱状，内径d10=52mm，外径d11=160mm，高度h9=270mm，h9/h8=0.9。使用时，直接将载体套在隔离圆筒上，为确保载体在安装和固定化生产过程中不受机械损伤，载体外套有一不锈钢网状保护套，其孔径d12=3mm，高度及内径与载体相同。为便于安装和清洗，本发明将进样管和通气管的横向管路和纵向管路分开，横向管路固定在底盘中，纵向管路通过螺纹区与横向管路相接。
实施例二：本发明设计的固定化细胞生物反应器可用于粗鱼油中甘油酯型DHA、EPA的酶解富集。首先需要摸索待固定细胞的生长和产酶条件及优化发酵培养基的成分和发酵条件。本实例选择的待固定化对象为柱状假丝酵母。如图5所示，在不安装隔离圆筒、载体、载体保护套的情况下，通过在底盘相应位置安装四块挡板，将该反应器用于游离柱状假丝酵母细胞发酵。
用于固定化柱状假丝酵母细胞发酵时，按一下顺序组装反应器：
（1）将搅拌桨和消泡耙依次安装到搅拌轴上，再将搅拌轴固定到位于底盘中央空间的基座上；
（2）将隔离圆筒固定到位于底盘中央空间正上方的金属圆环上，再将圆筒盖套在搅拌轴上，封住圆筒口（图7）；
（3）将载体小心地套在隔离圆筒上（图8），再将保护套套在载体上（图9）；
（4）将反应器盖穿过搅拌轴，封住反应器口。至此，完成反应器的安装操作。
发酵酶解之前，需要先将细胞固定到载体上：先利用循环泵将不含粗鱼油的液体培养基经流路10-15泵入反应器隔离圆筒中，待其充满圆筒后，继续添加，培养基依次经隔离圆筒、载体、载体保护套流出，至培养基终体积为反应器容积的70%时停止添加培养基，此时反应器内培养基体积约为10.5L；再采取火焰接种法按5%的接种量向接种瓶中注入0.525L柱状假丝酵母菌悬液，利用已过滤除菌的压缩空气将种子液自流路10-14、10-15压入反应器隔离圆筒中，此时，节流阀10-8处于关闭状态，节流阀10-7、节流阀10-9处于开启状态；待酵母细胞自由扩散并吸附在载体空隙中后，开启循环泵10-5和节流阀10-8，关闭节流阀10-7，将含有粗鱼油的液体培养基泵入隔离圆筒，同时开启循环泵10-6、节流阀10-11，保持节流阀10-10处于关闭状态，将载体外的培养基抽出反应器。
在此期间，辅以搅拌机搅拌。原料液在循环泵和搅拌器的双重作用下，依次经过隔离圆筒、载体、载体保护套。原料液进入载体后，在固定在载体中的柱状假丝酵母细胞分泌的脂肪酶的作用下，分解生成目标产物，最终流入载体外围空间，并经流路10-17进入收集瓶中。
Claims (7)
1.固定化细胞生物反应器，主要由反应容器和置于反应容器内的载体组成，载体带有固定化细胞，原料液经载体内固定化细胞酶解，生成目标产物，其特征在于所述载体为一整块呈中空圆柱状的多孔材料，原料液注入该中空部，在渗透载体的过程中经载体内的固定化细胞酶解，得到目标产物，排出容器外；所述反应容器的底部设置一个底盘，底盘活动连接若干扰流挡板，底盘的中部开有与载体形状相适应的圆柱形基座，用于固定安装载体；所述中空圆柱状载体的内壁配设隔离圆筒，外壁配设保护套。
2.根据权利要求1所述的生物反应器，其特征在于所述保护套包有细胞过滤膜。
3.根据权利要求1所述的生物反应器，其特征在于原料液经独立进样管直接输送至载体的中空部。
4.根据权利要求1所述的生物反应器，其特征在于所述反应容器内设独立通气管，压缩空气经独立通气管直接输送至载体的中空部。
5.根据权利要求1所述的生物反应器，其特征在于所述多孔材料为聚氨酯泡沫。
6.根据权利要求1所述的生物反应器，其特征在于所述载体中空部轴向安装有搅拌装置，该搅拌装置主要由设有搅拌桨和消泡耙的搅拌轴和驱动电机组成。
7.一种用权利要求1所述的生物反应器富集粗鱼油中多不饱和脂肪酸的方法，包含以下步骤：
1）、固定化细胞:将假丝酵母细胞均匀固定于载体上；
2）、循环生产：将粗鱼油输送至载体的中空部，在渗透载体的过程中经载体内的假丝酵母细胞酶解，得到包含多不饱和脂肪酸的初级产物，初级产物再次输送至载体的中空部进行再次酶解，进行多次循环后得到最终目标产物。
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| CN201485326U (zh) * | 2009-06-15 | 2010-05-26 | 甘肃雪晶生化有限责任公司 | 固定化颗粒污泥好氧反应器 |
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