生物过程工程研究在创新生物医药开发中应用的驱动力——生物反应器

近年创新生物医药在生物产业中的比重逐渐增大,也给生物产业带来了巨大的经济效益,靶点筛选及分子构建等上游技术的进步是促进生物医药进步的主要原因.随着目前细胞培养技术在生物医药生产中的广泛应用,对细胞培养技术的要求也不断提高,同时细胞培养技术的实现载体——生物反应器的技术改进和创新也越发凸显其重要性.本文介绍了生物反应器在创新生物医药产业中的应用种类、发展趋势及发展驱动力,回顾了全球范围内新型生物反应器的发展成果,包括新型反应器技术及过程分析技术在生物医药中的应用,最后,分析了中国生物反应器的发展现状与问题,指出了生物反应器的发展与进步应以提高生物培养过程的稳定性最终提高产品的质量而不是以提高产量为主要目标.本文详细阐述现代生物反应器技术及基于"质量源于设计"的质量控制理念在其中所起到的关键作用,以及生物反应器的技术发展的现状和未来走向.     

液滴流微反应器的基础研究及其应用

综述了近些年来快速发展的液滴微流控技术, 回顾了微流控系统中液滴的基本行为, 如液滴的生成、运动、聚并和分裂等研究进展, 重点探讨微液滴作为反应器其内部的流动、传质和反应过程, 以及液滴流微反应器已有的和潜在的重要应用价值。通过精确调控液滴在微尺度上的行为(产生、聚并与分裂、内部的混合与反应等), 使单个液滴成为新型受限空间内的微型间歇反应器, 而微通道内的液滴流进而形成了若干间歇反应器构成的连续流反应器新型式。除了微流控技术普遍具有的微小尺寸效应带来传质传热强化、易于放大等优势外, 液滴流微反应器还具有诸如避免试剂交叉污染、液滴内部可控混合、易于独立调控、便于高通量筛选或者制备等独特特点, 使得其在功能材料制备、化学合成以及生物化工方面有着广泛的应用。     

化肥氨氮废水处理技术通过鉴定

由天津大学化工学院承担的国家自然科学青年基金和中国石化集团股份公司科技开发基金联合资助课题的延伸项目———气升式环流生物反应器与喷射环流生物反应器集成系统处理化肥氨氮废水技术 ,近日通过鉴定。该课题是在跟踪、借鉴、吸收国内外化肥氨氮废水处理技术基础上 ,通过对环境微生物的诱变、筛选、驯化和对新型高效反应器的开发和耦合 ,在国内外率先开发出处理化肥氨氮废水的气升式环流生物反应器与喷射环流生物反应器集成系统 ,经采用人工模拟废水和化肥企业生产废水 ,进行废水处理实验研究化肥氨氮废水处理技术通过鉴定     

表达乙型肝炎表面抗原的重组CHO细胞无血清培养基的优化及生物反应器培养

目的优化表达乙型肝炎表面抗原(HBsAg)的重组CHO细胞的无血清培养基,并进行生物反应器高密度培养。方法通过对现有重组CHO细胞无血清培养基SFMB的氨基酸、蛋白类激素、蛋白水解物等的优化,建立针对表达HBsAg的重组CHO细胞无血清低蛋白(<10mg/L)培养基SFMC。并利用此培养基在生物反应器中分批、流加、灌注悬浮培养重组CHO细胞,通过最大细胞密度和HBsAg产率评价不同的培养模式。结果 SFMC与原培养基SFMB相比,使重组CHO细胞的最大细胞密度提高了20%,HBsAg表达量提高了25%。在生物反应器培养过程中,灌注培养的重组CHO细胞表达的HBsAg产率为0.70mg/(L·d),较分批和流加培养的0.30mg/(L·d)提高了约133%。结论通过无血清培养基优化及生物反应器高密度培养,可显著提高重组CHO细胞表达HBsAg的效率。     

热管生物反应器温度场的研究

进行了以水和羧甲基纤维素为模拟介质 ,在不同操作条件下热管生物反应器内单相流、两相流温度场的研究。实验表明热管生物反应器具有良好的等温性能 ,消除了传统生物反应器中温度差异大对反应的不良影响 ,为热管生物反应器数学模型的建立及反应器放大提供了基础数据     

一种新型振荡流强化反应器制备生物柴油的探讨

介绍一种新型振荡流强化反应器。根据该反应器的基本原理和生物柴油制备的反应特点,分析了应用该新型振荡流强化反应器制备生物柴油的可行性及优势。这种新型振荡流强化反应器不但能够促进化学反应的进行、提高生产效率,而且可通过调节振荡频率和振幅来控制反应器的操作特性以达到最佳反应效果;可将传统上的间歇过程转化为连续过程。     

撞击流反应器撞击面稳定性研究进展

撞击流技术因其良好的混合特性近些年用于强化制备超细粉体反应中的混合过程。撞击面的稳定影响反应器内的混合效果，所以本文对撞击面稳定性的研究进行了综述。撞击流反应器不同结构形式包括平面撞击流、轴对称撞击流和微型撞击流等。文中简述了撞击流稳定性的实验研究手段，分析轴对称撞击流反应器的径向偏转振荡的起止条件和不同喷嘴间距下的轴向偏移振荡规律，并且分析平面撞击流反应器的撞击面偏转周期以及偏转振荡的起止条件。得出轴对称撞击流与平面撞击流撞击面驻点的振荡对混合都有促进作用，并且偏移振荡周期不定，轴对称撞击面偏移振幅与喷嘴间距和雷诺数相关。平面撞击流的偏转振荡周期与进口流速成反比，反应器结构参数是撞击流稳定性的影响因素之一。根据轴对称撞击流偏移振荡对混合的促进作用，本文提出一种新型的预设流量波形双组撞击流反应器。新型撞击流反应器的独特结构克服了物料反应通道单一缺点，通过预设波形控制其进口流量，增大其撞击面偏移振幅，消除撞击面无序振荡，使流动轨迹扩展，扩大混合区域，并设计实验装置与方法讨论动态流量撞击流反应器撞击面稳定性对混合效果的影响。最后，本文对轴对称撞击流反应器的混合性能研究前景进行展望。     

流动结构对化学反应速率的影响

介绍了具有新型流场结构的"空化撞击流"的概念及其提出的背景;阐述了"空化撞击流"的三大特性;分析了空化撞击流技术对反应动力学的促进作用;用实验的方法研究了空化撞击流流场结构对化学反应动力学的影响规律。通过实验验证了关于空化撞击流流场对化学反应速率影响的推断。实验依次在普通喷嘴撞击流反应装置、空化自激脉冲喷嘴空化撞击流反应装置、低速搅拌反应装置和高速搅拌反应装置中进行。由实验结果可见,使用空化撞击流反应器时,反应速率常数分别比使用撞击流反应器、高速搅拌反应器和低速搅拌反应器高出13.42%、27.46%和33.82%,而且空化撞击流反应器的能耗更低。因此,利用空化撞击流技术确实可以有效提高化学反应速率。     

新型膜生物反应器及膜污染的研究进展

膜生物反应器技术是近年新发展起来的污水处理技术.作者介绍了几种新型膜生物反应器(生物膜-膜生物反应器、动态膜-生物反应器、气升循环膜生物反应器、PAC-膜生物反应器)的发展状况,并对膜生物反应器的膜污染机理及其控制方法进行了探讨,对今后膜生物反应器的研究和发展进行了展望.     

搅拌生物反应器的循环时间分布和混合结构模型

利用磁粒子流动跟踪法对搅拌生物反应器的循环时间分布进行测定,并将Rushton径向流桨和两种新型轴向流桨在不同介质粘度和转速下的循环时间分布进行比较和性能评价。建立了单桨搅拌生物反应器的混合结构模型,对循环时间分布数据进行拟合,求得模型参数,进而讨论了不同实验条件下模型参数的变化。结果表明,对于非牛顿、高粘度发酵过程,轴向流桨比Rushton桨具有更好的混合特性。     

高效微生物菌剂对城市污水处理的实验研究

通过筛选出市场上两种高效微生物菌剂探究城市污水处理技术,实验表明氨氮和COD去除率分别达98%和60%以上。水之国菌剂增殖快、培养方便的特点适用于开放性水体,碧沃丰菌剂处理效果佳、运行稳定,更适合用于曝气生物滤池、厌氧反应器等有填料的设备,可连续处理污水。此次研究为后续探索新型载体提高微生物菌剂处理效率的可能性研究提供了技术支撑,为研发新型高效原位修复技术奠定了良好基础。     

套管式新型光生物反应器的性能初步实验

针对管式光生物反应器藻液中溶解氧及pH限制进一步规模扩大等因素,设计了一种套管新型内曝气式光生物反应器。以Chlorella vulgaris为培养对象,BG-11为培养基,以细胞干重为检测指标,同时检测藻液的溶氧量和pH,比较了小规模实验条件(锥形瓶,500 mL)和套管式新型光生物反应器(36 L)对微藻生物质积累的影响。结果表明,新型反应器和小规模实验条件相比,培养体积扩大了72倍,培养10 d时微藻的比生长率下降了33.2%,单位体积产率下降了69.8%。在整个培养过程中,藻液溶氧量为6.2～7.0 mg/L,未超过限值7.5 mg/L。通入气体为空气,藻液pH由7.5上升至9.0,处于微藻可适应范围(4.5～10.6),尚可通过在空气中混入CO2进行调节。     

膜生物反应器脱氮除磷技术的研究进展

膜生物反应器(MBR)脱氮除磷技术是一种新型的脱氮除磷技术,在单一好氧膜生物反应器基础上,向与A/O、A2/O和SBR等工艺形式相结合的方向发展。介绍了近年来膜生物反应器在脱氮除磷方面的基本特点、研究现状、存在问题,分析了运行方式、技术参数对处理效果的影响,并指出了膜生物反应器脱氮除磷技术的发展方向。     

折流生物膜反应器的研制及优化

根据河流污水处理的特点,在较短的反应流程中,增加污水和生物载体的接触时间,设计了折流生物膜反应器,进行污水处理实验,并采用多相流和多孔介质模型耦合进行反应器的结构优化计算分析,计算结果表明.折流板生物载体折叠角度以140°为佳.反应器器壁为外加的直壁型.     

振荡流发生装置应用研究进展

振荡流反应器是一种新型的化工设备。由于其独特的流动特点,能够强化许多化工过程,在化工生产中具有广泛的应用前景。文章介绍了振荡流反应器在设备结构、流场特点及停留时间特性等方面的基础研究以及它在发酵、生物反应器、絮凝、颗粒悬浮领域的应用状况。     

膜生物反应器在难降解废水处理中的应用

膜生物反应器是近年来发展的一种新型的水处理技术。本文主要介绍了膜生物反应器在印染废水、造纸废水和垃圾渗滤液等难降解废水处理中的应用以及近年来国内一些研究成果,并指出今后膜生物反应器在废水处理方面的研究方向。     

新型膜生物反应器处理印染废水研究进展

印染废水含有多种染料、浆料、表面活性剂等复杂化学物质,属难处理的工业废水之一,新型膜生物反应器法是一种处理印染废水的重要方法。膜生物反应器法是将传统的生物处理印染废水技术和膜分离技术相结合,从而更加高效彻底的去除废水中的污染物。而新型膜生物反应器则是根据膜生物反应器的不足对其进行改进。主要介绍海藻式膜生物反应器、生物铁式膜生物反应器填料式、填料式膜生物反应器等的研究现状及进展,并对今后的发展方向提出了建议。     

泰勒流反应器的流动及反应特性

利用由静态混合器、喷嘴和分气盒组成的新型布气装置在搅拌釜式反应器中诱导生成泰勒流,对反应器流动特性及反应特性进行了实验研究。结果表明,与常规搅拌釜式反应器相比,泰勒流反应器内物料流动更加接近于平推流流型,泰勒流的生成在反应器内构建出局部平推流区域,降低了物料返混程度。反应器反应性能因流动特性改变而得以增强,相同实验条件下,在泰勒流反应器中进行的蔗糖水解反应转化率比在常规搅拌釜式反应器中高出26.7%。在一定操作范围内,局部平推流区域和反应转化率均随搅拌转速或进气量的增加而增大。泰勒流反应器可简化为平推流区和全混流区并联的流动模型,推导出了反应转化率与平推流区域占反应器总体积比率之间的关联关系。     

内置组合转子新型管式光生物反应器及微藻光暗周期研究

针对传统管式光生物反应器中存在的附壁现象、光衰减现象以及光暗循环频率低等问题,设计了内置组合转子新型管式光生物反应器。以小球藻为培养对象,BG11为培养基,以光密度作为检测指标,比较了新型管式光生物反应器和锥形瓶静态培养对于微藻生长的影响。同时也分别比较了在不同光暗循环周期下(L∶D=18∶6和L∶D=24∶1),新型管式光生物反应器和锥形瓶静态培养对于微藻生长的影响。结果表明,在扩大培养10倍之后,光暗周期为L∶D=18∶6的对照组最终OD值、比生长速率均要大于L∶D=24∶1的对照组,其中新型反应器中最终OD值高出17.1%,比生长速率高出0.66%,锥形瓶中最终OD值高出13.63%,比生长速率高出6.67%。     

内构件优化推动厌氧生物反应器的发展

厌氧生物反应器的更新换代与内构件的改造优化有着重要联系,其结构的不断优化改善了反应器内部流态。根据示踪实验和数值模拟方法,分析厌氧生物反应器内水动力学行为发现:一般情况下,高效厌氧生物反应器介于平推流反应器(PFR)和完全混合反应器(CSTR)之间。对国内外典型厌氧生物反应器的流态特性汇总分析认为:分散数D/(uL)、佩克莱数Pe和串联级数N值都可有效表现反应器内流态特性。当负荷、上升流速和转盘转速越大时,D/(uL)越大,Pe和N越小,流态越趋向完全混合流;隔室越多,水力停留时间(HRT)越大,D/(uL)越小,Pe和N越大,流态越趋向平推流。因此,基于增设内构件的流态变化研究可为高效厌氧生物反应器开发与应用提供理论基础。