【膜生物反应器】
拼译：membrane bioreactor MBR
即装有人工合成膜及其组件的生物反应系统，由于考虑了生物反应的特点和生物加工过程的基本要求，自问世以来，发展始终呈现上升趋势。膜既具有分离功能，又有载体功能，可以增加生物催化剂负荷量。MBR的基本特征是依靠膜实现反应物料与酶或细胞的分离，从而解除产物抑制，提高酶和细胞的利用率和反应器的工作效率。
MBR可以根据生物催化剂在反应器中存在形态分类，即固定化或非固定化MBR。固定化MBR是通过把催化剂吸附于膜表面、包埋于膜中或置于膜室中加以固定，利用膜的分离功能，将产物原位分离，使反应器与分离器融为一体。根据膜组件构型不同，膜固定化反应器可分为平板膜固定化和中空纤维固定化反应器，前者又可分为单膜和复合膜反应器。平板膜固定化反应器灵活性大，便于计算机控制和模拟，易于放大。中空纤维固定化反应器是近年研究最多的MBR，酶和细胞通常固定于中空纤维组件壳层或其海绵区多孔层，物料沿轴向流入纤维腔内或壳层，以对流流动或扩散形式与酶或细胞接触反应后流出反应器，这种反应器比表面积大，催化剂负载密度高，从而有极高的体积产率、但存在传质阻力，内部环境不均匀，难于控制与放大。非固定化MBR或称循环式MBR，类似于传统的连续搅拌式反应器，是用不同类型具有分离功能的膜组件与反应系统组成一个循环回路，其优点是可以连续运行，催化剂密度高，易于控制反应参数，产品浓度，纯度均可很高，但也存在膜易污染、膜组件难消毒等问题。MBR的研究起始于20世纪60～70年代，P．Gerhardt等(1969)展示了用于不同目的的体外透析培养系统。M．Porter和A．S．Michaeles(1970)首先提出压力驱动的酶膜循环反应器，W．E．Budd和R．W．Okey(1969)则首先在废水处理中应用了细胞膜循环反应器，酶和细胞固定化膜反应器则分别由P．R．Rony(1970)和J．K．Kan、M．L．Shuler(1978)首次研制成功。酶膜生物反应器已成功地用于淀粉水解、蛋白水解、纤维素水解、多糖水解，伴有辅因子再生的多酶反应体系以及脂肪水解等方面，MBR的运用减小了产物抑制程度，提高了底物转化率，降低了纯化费用。N．Mitsutoshi等(1988)采用压力控制反应速率，将蔗糖酶固定于不对称陶瓷膜上，压滤式操作，蔗糖转化率接近100%，体积产率是扩散式反应器的10倍。W．Berke等(1988)在酶循环膜反应器中利用葡萄糖激酶、乙酸激酶及连接在高聚物上的ATP，以葡萄糖和乙酰磷酸为底物，生产葡萄糖－6－磷酸(G6－P)，同时ATP连续再生，运行一个月，葡糖转化率80%，产率348gG－6－P／L·d；在德国，利用辅酶循环再生酶膜反应器生产L－甲硫氨酸已工业化，年产200t。M．M．Hoq等(1985)将脂酶固定于疏水中空纤维外壁，腔内流过橄榄油，外壳层流过缓冲液，水解后的油酸、亚油酸进入水相流出反应器，水解率可达87%，体积产率比光交联树脂法固定酶反应器高26倍。S．L．Matson等(1986)利用液膜对物质的选择溶解性，首先提出将液膜与包埋酶膜叠合的双膜反应系统用于光学活性物质的选择催化与原位分离，而Z．L．Lopez等(1988)则直接用吸附有凝乳蛋白酶的中空纤维固定化反应器转化外消旋的N－苯甲酰酪氨酸乙酯混合物，用缓冲液带走反应物，L型酪氨酸纯度达98%。这些为相转移催化研究提供了新的手段。MBR可以有效地解决微生物发酵及细胞催化过程中产物抑制问题。在细胞循环膜反应器中膜组件可以是透析膜，萃取膜，超滤膜和渗透汽化膜，这一反应系统可生产酒精、乳酸、(H．W．Blunch等，1983，1985；M．Cheryan等，1986)、丙酮－丁醇－乙醇(A．S．Afscher，1985；M．Taya，1985；D．Schlote，1986)以及丁醇、2，3－丁二醇、乙酸、VB12等都获得成功，此外还成功地用于果胶酶(A．．Janneau等，1983)、青霉素酰化酶(Y．L．Lee，1990)、α－淀粉酶(C．Y．Cheng，1990)等胞外酶的生产。一般来讲循环式MBR中的体积产率都几倍甚至几十倍高于传统分批式及普通固定化细胞反应系统。在中空纤维反应器中也进行了发酵制乙醇，乳酸等的尝试。K．K．Sirkar用切碎的中空纤维或碎木片吸附固定啤酒酵母，置于一组中空纤维壳层空间，培养基流入壳层，腔内先供氧并带走CO2，然后流入溶剂抽提乙醇或者丁醇获得成功。而M．L．Shuler等(1987～1990)还采用了复合膜固定反应器发酵乙醇(图1)。
图1
为了改善中空纤维固定化细胞反应器的供氧情况，C．R．Roberston等(1985)设计了套管中空纤维反应器，H．N．Chang等(1986)进行了改进(图2)，他们用此系统固定大肠埃希氏菌、黑曲霉菌、地中海诺卡氏菌，细胞密度达550～600g(细胞干重)／L，用地中海诺卡氏菌连续生产利福霉素B50天，体积产率为分批式的30倍。但结构复杂，难以放大，另外，A．Nanba等(1985)在微孔中空纤维外壁固定恶臭醋酸杆菌生产食醋，腔内压入空气，腔外流过培养基，体积产率是传统法10倍。I．Karuba等将弯曲高温单胞菌(1987)、嗜热脂肪芽孢杆菌(1990)固定于微孔中空纤维外壁，壳层鼓入空气泡，培养基以压滤式由壳层压入腔内带走反应产物，用此两种细菌分别还原4－氧异佛尔酮和脱氢4－氧异佛尔酮。并比较了固定化流化床、堆积床中的反应情况，认为中空纤维反应器最适于微生物转化。中国虞星炬等(1988)用中空纤维固定青霉素酰化酶基因工程菌，压滤式操作，6－氨基青霉烷酸产品收率90%，实现MBR长期稳定操作，并已进行工业尝试。T．Matsunaga等(1991，1992)将一种海洋蓝细菌悬浮于可透光的中空纤维外壳层，腔内照明，壳层鼓入CO2，再由另一陶瓷中空纤维组件循环过滤细胞液中代谢产物，最后细胞干重达11．2g／L，谷氨酸体积产率是摇瓶的7．5倍。
图2
由于动植物细胞比较娇嫩，对剪切力损伤很敏感；而膜反应器特别是中空纤维反应器不仅提供了温和的固定方法，而且模拟了细胞在体内生长环境，使动植物细胞密度可很高。R．A．Knazek等(1972)首先用中空纤维反应器培养了人绒毛膜癌细胞，其人绒毛膜促性腺激素生产超过28d，细胞密度达2．17×108个／ml，均为悬浮法150倍。现在人们已经用中空纤维系统成功地培养了几十种动物细胞和杂交瘤。W．L．Chick等(1975，1977)进行了β－胰岛细胞的培养，生产胰岛素。W．J．Mcaleer等(1983)培养肝癌细胞产生乙肝抗原，J．M．Piret等(1990)培养CRL－1606杂交瘤细胞，密度达3～4×108个／ml，单克隆抗体连续产生2周，产率达72mg／h，H．Takasugi等(1992)利用重组C127细胞产生人红血球生成素，细胞密度达1．5×108／ml，产率25．5mg／d，浓度35000μg／ml。另外，为了使MBR中培养空间更均匀以提高物料传递速率，增加细胞密度，K．Ku等(1981)开发出平床中空纤维细胞培养系统，腔内通入CO2-O2，纤维外流过培养基。G．Belfort(1986)设计了营养物质供给、产品收集和细胞缓慢移动3个循环系统组合的装置，P．C．Chau等(1990)设计了螺旋设置交替死端中空纤维系统，培养液交替从反应器两端进入腔内。植物细胞培养刚刚起步，M．L．Shuler等(1981)首先用MBR培养植物细胞；其在烟草细胞培养中(1983)，持续100d，酚类体积产率比分批式高10～100倍。R．J．Kim等(1989)用套管式中空纤维反应器培养紫草属细胞，干生物量达325g／L，酚体积产率为曲颈瓶培养时的58倍。此外，人们在如何有效监测中空纤维反应器内生物量、改进操作方式以提高传质能力，对反应体系进行数学模型化处理等方面也进行了大量工作。E．A．Linton等(1989)用压力电极监测中空纤维反应器内细胞生长，C．R．Roberston等(1989)用35S通过NMR技术监测中空纤维反应器中细胞合成与降解；W．R．Tolbert(1985)、K．H．Kroner(1987)等采用转动式MBR形成泰勒流减小极化现象；M．L．Shuler(1987)C．Kliensteuer(1984，1985)；G．Belfort(1987)；P．M．Salmon(1988)；L．J．Kelsey(1990)；J．M．Piret，(1991)等研究了中空纤维反应器内酶与细胞的传质动力学，建立了数学模型，这些都为中空纤维反应器的优化设计与放大提供了理论依据，但尚有待系统化。MBR研究还处于发展阶段，实现工业化规模的很少。继续开发具有良好分离功能的膜，特别是可以消毒、耐高温、抗溶剂的膜材料，降低膜价值以降低反应器成本；同时对反应器结构进行改进，强化传质，发展新的有效的监测技术，进一步系统地建立MBR的数学模型，这都是今后膜生物反应器工作者们努力的方向。而随着杂交瘤技术，基因工程技术的发展，将会有更多的动植物细胞可由MBR培养，并产生具有高附加值的产品，这将是今后一个时期内MBR实用化的研究热点所在。【参考文献】：1 Cheryan M，et al．Bioprocess Technol·1986，1∶255～3012 Cheryan M，et al．CHEMTECH 1986，16(11)∶676～6813 Belfort G．Biotech Bioeng．，1989，33(9)∶1047～10664 Heath C，et al．Int．J．Biochem，1990，22(8)∶823～8355 Piret J M，et al．Biotech．Adv．1990，8(4)∶763～7836 虞星炬．中国化工学会生物化工学会第2次年会，19917 曾宪放．中国化工学会生物化工学会第2次年会，1991(中国科学院成都生物研究所方鹏、赵树杰研究员撰)