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[摘 要]综述了固定化细胞生物反应器的优点及应用、几种主要的固定化细胞生物反应器的特点，并展望了固定化细胞生物反应器的发展前景，可为细胞固定化技术和生物反应器的自动化大生产提供一定的参考。
中图分类号：TP139 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）36-0327-01
0 引言
人类正面临着资源减少和环境恶化等全球性问题，传统的发酵罐模式已经很难适应经济快速发展的需要，近年来固定化细胞生物反应器成为研究的热点，并广泛应用于工业、农业、医学、环境科学、能源开发等领域。生物反应器是利用生物催化剂酶或产酶生物体（如微生物、动植物细胞等）所具有的生物功能，在体外进行生化反应，生产生物技术产品的装置系统，是一种生物功能模拟机。按照所使用的生物催化剂不同可分为酶反应器和细胞反应器。
1 固定化细胞生物反应器的优点
在固定化酶生物反应器基础上发展起来的固定化细胞生物反应器主要有如下优点：（1） 固定化细胞生物反应器中细胞浓度增大，因而反应速度提高；（2）使用固定化细胞反应塔连续发酵，可以避免反馈抑制和产物的消耗；（3）不必将酶分离纯化；（4）固定化细胞可以反复或连续使用，从而简化了细胞培养过程，并且降低了营养物质消耗；（5）细胞保留了原有的多酶系统，因而不需要再生辅酶；（6）酶可保持原始状态，因而保持了酶的稳定性；（7）可实现连续化、大型化和高度自动化生产；（8）产物与底物能及时分离，因而尤其适用于生产对反应底物有抑制作用的产物。
2 固定化细胞生物反应器的应用
2.1 固定化细胞生物反应器在工业上的应用
固定化酵母等微生物的各种酒化酶系可用于生产酒精、啤酒、葡萄酒、黄酒等。邓元修[1]以PVA为包埋剂固定酵母，葡萄糖为20.0%，pH为4.0，温度为30e，分别进行分批发酵和连续发酵。分批发酵中酒精生产强度为14.25g.L-1.h-1，连续发酵中酒精生产强度为20.5g.L-1.h-1。固定化酵母连续使用180d后其酶系仍有良好发酵特性。GogoiB.K.[2]采用琼脂固定化酵母细胞进行酒精生产，固定化细胞在pH7，温度42e，葡萄糖浓度29%的条件下，最大酒精浓度可达到96g.L-1，较传统发酵，生产效率和产物得率明显提高，并且口感更好，味道更甘醇。
2.2固定化细胞生物反应器在医学上的应用
童群义[3]等通过固定化大肠杆菌2酵母菌混合体系，在流化床生物反应器中，以PVA2卡拉胶为营养基质生产谷胱甘肽；Minoru Seki[4]等通过固定化东北红豆杉细胞（taxus cuspidate），在灌注培养生物反应器中生产紫杉醇。
2.3 固定化细胞生物反应器在环境科学上的应用
近几年来， 随着全球环境问题的加剧和微生物技术的发展，利用生物技术解决环境问题愈来愈成为人们研究的热点。张小荷[5]等以PVA作包埋剂固定化微生物小球，来处理含高浓度水胺硫酸的废水。在室温下连续降解376d并停止曝气122d，最终COD去除率在50%左右。而且继续使用该固定化的微生物小球实验，其活性基本不变，可连续反复使用。
2.4 固定化细胞生物反应器在生产能源上的应用
Yokoi H[6]等人对产气肠杆菌HO一39菌株进行非固定化试验，获得了120ml/（ L*h）的产氢率，而采用多孔玻璃做为载体固定化菌体时，产氢率提高到850ml/（ L*h），较非固定化细胞产氢率提高了7倍。因而说固定化细胞生物反应器不仅性能稳定且产物产量和基质利用率都明显提高。
3 几种主要的固定化细胞生物反应器
3.1 填充床生物反应器
填充床生物反应器中，细胞固定在胶粒、泡沫、金属颗粒、或连续的网中，也可以位于支持物的表面，支持物颗粒堆叠成床，培养基在床层间流动，实现混合和传质。
填充床生物反应器的优点：（1）可以消除或极大地减弱流质流动引起的切变力；（2）便于一定程度地分化发育，从而促进次级代谢产物的产生。
填充床生物反应器的缺点：（l）对必要的氧传递、pH、温度控制和产物的排泄造成困难； （2）床中颗粒或支持物的破碎阻塞液体流动；（3）传质效率低和阻塞是固定床要解决的关键问题。
3.2 膜生物反应器
采用具有一定孔径和选择透性的膜固定细胞，营养物质可以通过膜渗透到细胞中，细胞产生的次级代谢产物可以通过膜释放到培养液中 。
膜生物反应器的优点：（1）流体动力学易于控制，易于放大；（2）可以进行产物分离以解除产物的反馈抑制。
膜生物反应器的缺点：（1）传质效率低，易堵塞；（2）反应器投资大。
3.3 流化床生物反应器
流化床生物反应器中，细胞包裹于胶粒、金属或泡沫颗粒中，通过空气培养基在反应器内的流动使固定化细胞呈流态化悬浮，是一种循环式反应器构型。
流化床生物反应器的优点：混合效果好。
流化床生物反应器的缺点：（1）流体的切变力和固定化颗粒的碰撞常使支持物颗粒破损；（2）流体动力学复杂使其放大困难。
4 固定化细胞生物反应器存在的问题和未来的发展趋势
目前所使用的载体存在使用寿命短，对底物和产物存在扩散阻力等问题。某些微生物细胞具有自絮凝集（ Self- flocculating） 形成颗粒的能力，利用这种特性即可实现无载体固定化细胞反应器的制得，但自絮凝细胞颗粒形态不规则，不耐剪切，对生产工艺要求很高。通常通过氧传输、传质传热、混合性能、放大效应、操作稳定性和剪切力强度等因素判断生物反应器的性能高低。因此只有从酶反应的机理及动力学方面进行深入的研究，綜合考虑，不断优化反应器设计，才能满足大型化、自动化、连续化生产的需要。
参考文献
[1]邓元修.固定化酵母酒精发酵[J].华中理工大学学报，1993，21（2）：176—180.
[2]Gogoi B. K. Hoshino Akira. Immobilization of Saccharomyces cerevisiae for ethanol fermentation on g-alumina particles using a spray-dryer[J]. Process Biochem，1995，30（8）：743—746.
[3]童群义，陈坚，堵国成.PVA2卡拉胶混合固定化大肠杆菌2酵母菌混合体系生产谷胱甘肽[J].工业微生物， 2000，30（41）：33—35
[4]Minoru Seki， Chiharu Ohzora， Mayuko Takeda， et al. Taxol（Paclitaxel） Production Using Free and Immobiilized Cell of Taxus cuspidate[ J].Biotechnology and Bioengineering，1997，53（2）：214—219.
[5]张小荷， 罗启芳.固定化微生物小球对水胺硫酸好氧降解的耐受性研究[J].同济医科大学学报，1998 ，25（4）：294—300.
[6]Yokoi H，Tokushige T，Hirose J，et a1.Hydrogen production by immobilized cells of aciduric Enterobacter aerogens strain HO-39[J].Ferment.Bioeng，1997，83（5）：481—484.
中图分类号：TP139 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）36-0327-01
0 引言
人类正面临着资源减少和环境恶化等全球性问题，传统的发酵罐模式已经很难适应经济快速发展的需要，近年来固定化细胞生物反应器成为研究的热点，并广泛应用于工业、农业、医学、环境科学、能源开发等领域。生物反应器是利用生物催化剂酶或产酶生物体（如微生物、动植物细胞等）所具有的生物功能，在体外进行生化反应，生产生物技术产品的装置系统，是一种生物功能模拟机。按照所使用的生物催化剂不同可分为酶反应器和细胞反应器。
1 固定化细胞生物反应器的优点
在固定化酶生物反应器基础上发展起来的固定化细胞生物反应器主要有如下优点：（1） 固定化细胞生物反应器中细胞浓度增大，因而反应速度提高；（2）使用固定化细胞反应塔连续发酵，可以避免反馈抑制和产物的消耗；（3）不必将酶分离纯化；（4）固定化细胞可以反复或连续使用，从而简化了细胞培养过程，并且降低了营养物质消耗；（5）细胞保留了原有的多酶系统，因而不需要再生辅酶；（6）酶可保持原始状态，因而保持了酶的稳定性；（7）可实现连续化、大型化和高度自动化生产；（8）产物与底物能及时分离，因而尤其适用于生产对反应底物有抑制作用的产物。
2 固定化细胞生物反应器的应用
2.1 固定化细胞生物反应器在工业上的应用
固定化酵母等微生物的各种酒化酶系可用于生产酒精、啤酒、葡萄酒、黄酒等。邓元修[1]以PVA为包埋剂固定酵母，葡萄糖为20.0%，pH为4.0，温度为30e，分别进行分批发酵和连续发酵。分批发酵中酒精生产强度为14.25g.L-1.h-1，连续发酵中酒精生产强度为20.5g.L-1.h-1。固定化酵母连续使用180d后其酶系仍有良好发酵特性。GogoiB.K.[2]采用琼脂固定化酵母细胞进行酒精生产，固定化细胞在pH7，温度42e，葡萄糖浓度29%的条件下，最大酒精浓度可达到96g.L-1，较传统发酵，生产效率和产物得率明显提高，并且口感更好，味道更甘醇。
2.2固定化细胞生物反应器在医学上的应用
童群义[3]等通过固定化大肠杆菌2酵母菌混合体系，在流化床生物反应器中，以PVA2卡拉胶为营养基质生产谷胱甘肽；Minoru Seki[4]等通过固定化东北红豆杉细胞（taxus cuspidate），在灌注培养生物反应器中生产紫杉醇。
2.3 固定化细胞生物反应器在环境科学上的应用
近几年来， 随着全球环境问题的加剧和微生物技术的发展，利用生物技术解决环境问题愈来愈成为人们研究的热点。张小荷[5]等以PVA作包埋剂固定化微生物小球，来处理含高浓度水胺硫酸的废水。在室温下连续降解376d并停止曝气122d，最终COD去除率在50%左右。而且继续使用该固定化的微生物小球实验，其活性基本不变，可连续反复使用。
2.4 固定化细胞生物反应器在生产能源上的应用
Yokoi H[6]等人对产气肠杆菌HO一39菌株进行非固定化试验，获得了120ml/（ L*h）的产氢率，而采用多孔玻璃做为载体固定化菌体时，产氢率提高到850ml/（ L*h），较非固定化细胞产氢率提高了7倍。因而说固定化细胞生物反应器不仅性能稳定且产物产量和基质利用率都明显提高。
3 几种主要的固定化细胞生物反应器
3.1 填充床生物反应器
填充床生物反应器中，细胞固定在胶粒、泡沫、金属颗粒、或连续的网中，也可以位于支持物的表面，支持物颗粒堆叠成床，培养基在床层间流动，实现混合和传质。
填充床生物反应器的优点：（1）可以消除或极大地减弱流质流动引起的切变力；（2）便于一定程度地分化发育，从而促进次级代谢产物的产生。
填充床生物反应器的缺点：（l）对必要的氧传递、pH、温度控制和产物的排泄造成困难； （2）床中颗粒或支持物的破碎阻塞液体流动；（3）传质效率低和阻塞是固定床要解决的关键问题。
3.2 膜生物反应器
采用具有一定孔径和选择透性的膜固定细胞，营养物质可以通过膜渗透到细胞中，细胞产生的次级代谢产物可以通过膜释放到培养液中 。
膜生物反应器的优点：（1）流体动力学易于控制，易于放大；（2）可以进行产物分离以解除产物的反馈抑制。
膜生物反应器的缺点：（1）传质效率低，易堵塞；（2）反应器投资大。
3.3 流化床生物反应器
流化床生物反应器中，细胞包裹于胶粒、金属或泡沫颗粒中，通过空气培养基在反应器内的流动使固定化细胞呈流态化悬浮，是一种循环式反应器构型。
流化床生物反应器的优点：混合效果好。
流化床生物反应器的缺点：（1）流体的切变力和固定化颗粒的碰撞常使支持物颗粒破损；（2）流体动力学复杂使其放大困难。
4 固定化细胞生物反应器存在的问题和未来的发展趋势
目前所使用的载体存在使用寿命短，对底物和产物存在扩散阻力等问题。某些微生物细胞具有自絮凝集（ Self- flocculating） 形成颗粒的能力，利用这种特性即可实现无载体固定化细胞反应器的制得，但自絮凝细胞颗粒形态不规则，不耐剪切，对生产工艺要求很高。通常通过氧传输、传质传热、混合性能、放大效应、操作稳定性和剪切力强度等因素判断生物反应器的性能高低。因此只有从酶反应的机理及动力学方面进行深入的研究，綜合考虑，不断优化反应器设计，才能满足大型化、自动化、连续化生产的需要。
参考文献
[1]邓元修.固定化酵母酒精发酵[J].华中理工大学学报，1993，21（2）：176—180.
[2]Gogoi B. K. Hoshino Akira. Immobilization of Saccharomyces cerevisiae for ethanol fermentation on g-alumina particles using a spray-dryer[J]. Process Biochem，1995，30（8）：743—746.
[3]童群义，陈坚，堵国成.PVA2卡拉胶混合固定化大肠杆菌2酵母菌混合体系生产谷胱甘肽[J].工业微生物， 2000，30（41）：33—35
[4]Minoru Seki， Chiharu Ohzora， Mayuko Takeda， et al. Taxol（Paclitaxel） Production Using Free and Immobiilized Cell of Taxus cuspidate[ J].Biotechnology and Bioengineering，1997，53（2）：214—219.
[5]张小荷， 罗启芳.固定化微生物小球对水胺硫酸好氧降解的耐受性研究[J].同济医科大学学报，1998 ，25（4）：294—300.
[6]Yokoi H，Tokushige T，Hirose J，et a1.Hydrogen production by immobilized cells of aciduric Enterobacter aerogens strain HO-39[J].Ferment.Bioeng，1997，83（5）：481—484.