生物反应器：修订间差异
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[[Image:Pg166 bioreactor.jpg|thumb|right|250px|一個封閉的生物反應器，用於在纖維素乙醇研究.]] |
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'''生物反应器<ref>[IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (1997). Online corrected version: (2006–) "bioreactor"]</ref>'''（{{lang-en|Bioreactor}}）是指任何提供生物化學反應的'''適當環境'''或'''工程設備'''。是利用[[酶]](通常反應會由一個或一群[[酵素]]所推動)或生物體（如[[微生物]]）所具有的生物功能，在細胞外進行生化反應的裝置系統，是一種[[生物]]功能模擬機，過程既可以進行有氧反應進行也可以無氧反應。這些系統在[[酒類]]、[[組織工程]]、[[生化工程]]、醫藥生產、有機污染物[[降解]]方面有重要應用。 |
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'''生物反应器<ref>[http://www.term.gov.cn/pages/homepage/result2.jsp?id=335221&subid=10001798&subject=%E6%96%B9%E6%B3%95%E4%B8%8E%E6%8A%80%E6%9C%AF&subsys=%E7%94%9F%E7%89%A9%E5%8C%96%E5%AD%A6%E4%B8%8E%E5%88%86%E5%AD%90%E7%94%9F%E7%89%A9%E5%AD%A6]</ref>'''（{{lang-en|Bioreactor}}）是指任何提供生物活性环境的制造或工程设备。<ref>{{GoldBookRef|title=bioreactor|url=http://goldbook.iupac.org/B00662.html}}</ref>在一种情况下，生物反应器是一个进行涉及到[[生物]]或[[生物化学]]活性物质由特定的生物生产出来的化学过程的容器。此过程既可以[[有氧]]进行也可以[[无氧]]进行。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。 |
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在來源上可分為自然生物反應器(如人的[[胃]])及工程生物反應器(如[[發酵罐]]、[[固定化酶]]或[[固定化細胞]]反應器等，這些生物反應器通常呈圓筒狀，其體積從幾升到幾立方米不等，常由[[不銹鋼]]製成。)兩種。 |
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==參看== |
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依物料進出流的型態可分為[[批次式反應器]](Batch reactor)、饋料批次式反應系統(fed batch)以及[[連續流反應器]](Continuous reactor)(如[[連續攪拌釜式反應器]]、[[恆化器]])三種。 |
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生物反應器與[[化學反應器]]不同，化學反應器從原料進入到產物生成，常常需要加壓和加熱，是一個高能耗過程。而生物反應器則不同，在酶和微生物的參與下，在常溫和常壓下就可以進行[[化學合成]]。因此，生物反應器問世之後，應受到[[化工]]部門的重視。化學工程專家認為，應該儘可能地讓化學合成過程由生物去完成。設計理想的生物反應器，就成了現代生物技術產業的一個重要任務。 |
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在生物反應器中生長的[[微生物]]可以被浸泡在液體介質中或附著在固體介質表面。被浸泡的培樣物質可分為[[懸浮性]]與[[固定化]]： |
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*'''懸浮性'''生物反應器不需要特別的附著表面，因此可使用更多種類的生物體，而且可較固定化培養進行更大規模的培養操作；但在連續操作過程中，微生物將從反應器中與流出物一同去除。 |
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*'''固定化'''是一個通用術語，描述多種細胞、顆粒附著體或包封<ref>Lopez A, Lazaro N, Marques AM. The interphase technique: a simple method of cell |
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immobilization in gel-beads. J Microbiol Methods, 1997, 30:231-234.</ref>。基本上它可以應用於所有類型的生物催化，包括酶、細胞器、動物和植物細胞；其在連續操作的過程中非常有用，因為生物體不會與反應器流出物一同除去，但也因此在操作規模上受到限制，因為該微生物是只存在有限的容器表面上。<ref>Peinado PA, Moreno JJ, Villaba JM, Gonzalez-Reyes JA, Ortega JM, Mauricio JC. A new immobilization method and their applications. Enzyme Microb Tech, 2006, 40:79-84.</ref>。 |
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'''大型固定化細胞生物反應器'''舉例: |
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*移動床生物反應器(moving media)([http://www.triqua.eu/Triqua/fs3_site.nsf/htmlViewDocuments/44EBED064A451595C12575200056BE33 MBBR]) |
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*填充床反應器([http://www.umich.edu/~elements/5e/asyLearn/bits/pbr/index.htm packed bed]) |
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*纖維床生物反應器([http://userpages.umbc.edu/~xkang/ENCH772/fibrous-bioreactor.html fibrous bed]) |
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*生物膜 |
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==生物反應器的設計== |
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[[Image:Pg166 bioreactor.jpg|thumb|right|250px|在纖維素乙醇研究中使用的封閉生物反應器]] |
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生物反應器的設計是一個複雜的生物化學研究工程科學任務；在最佳條件下，使微生物或細胞能表現其功能，產生有限雜質含量以內的產物。生物反應器內的環境條件，如[[溫度]]、養分濃度、[[pH值]]和氣體[[溶解度]](尤其是關於氧氣的[[有氧發酵]])皆會影響生物體的生長和生產力。 |
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*'''溫度'''：[[發酵]]培養基的溫度由單獨使用冷卻夾套、線圈或同時使用兩者來保持；在放熱發酵反應進行時，可能需要另外使用外部熱交換器。在饋料批次式反應系統(fed-batch system)中，營養物質可以被連續地加入到發酵罐(fermenter)中，或者可以在發酵初始時加入反應器中。 |
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*'''PH值'''：利用少量的酸或鹼測量和調整培養基的pH值，其值取決於發酵反應。 |
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*'''氣體溶解度'''：對於有氧（和一些厭氧）發酵，反應氣體（尤其是氧氣）為必須反應物，但由於氧對於水（幾乎為所有的發酵培養基的基礎）溶解度較低，因此空氣（或純[[氧]]）必須被連續地添加。在溶液中的上升氣泡可充分混合發酵培養基，也可同時“擺脫”溶液中的廢氣，如[[二氧化碳]]。實際上，生物反應器都會加壓，增加水中的[[溶氧量]]；在耗氧反應過程中，最佳氧氣傳輸步驟常為[[限速步驟]]。因為氧氣難溶於水(在溫度較高的發酵液中含量更少)，故其含量對於空氣來說是相對稀少的（20.95％）氧氣的運輸通常是經由攪動來完成，也同時保持營養物質的均勻分布，幫助勻相發酵反應進行；[[氣體分散攪拌器]](Gas dispersing agitators)就是用來打破的氣泡使其均勻分布於整個容器中的工具。 |
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'''垢'''會損害生物反應器的整體效率，尤其是熱量的交換。為了避免垢的產生，生物反應器必須易於清理，內表面通常由不銹鋼製成，以便清洗和[[消毒]]。典型生物反應器會在批次間清洗，或以特殊設計減少連續操作中結垢的可能。[[熱傳導]]能力是反應器設計的一個重要部分；小導管可利用冷卻夾套來冷卻，但較大的導管，就可能需要線圈或外部熱交換器。 |
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==生物反應器的種類== |
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===光反應器(photobioreactor)=== |
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[[File:Bioreaktor quer2.jpg|thumb|upright|[[Moss bioreactor|Moss photobioreactor]] with ''[[Physcomitrella patens]]'']] |
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[[光反應器]]（PBR）是一種內含光源系統的生物反應器，幾乎所有的半透明容器都可稱為PBR，但是該術語是比較常用來描述'''一個封閉的系統'''，而不是一個開放式[[水箱]]或[[水池]]。 |
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光反應器可用來培養[[自營]]生物(如[[藍細菌]]、[[藻類]]、[[苔蘚]]或[[植物]])<ref>Eva L. Decker und [[Ralf Reski]] (2008): Current achievements in the production of complex [[biopharmaceuticals]] with moss |
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bioreactor. Bioprocess and Biosystems Engineering 31, 3-9 [http://www.springerlink.com/content/ux267q4q14736845/fulltext.pdf]</ref>。這些微生物利用光合作用作為其能量來源，不需要利用[[糖]]或[[脂肪]][[代謝]]作為其能量來源，因此其外來微生物汙染(如細菌或真菌)的風險低於異營生物反應器。 |
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===污水處理(Sewage treatment)=== |
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生物反應器也被設計用來處理[[污水]]和[[廢水]]。 |
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*'''滴濾池法''' |
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為最有效的系統，提供有流動性(free-flowing)且具有[[化學惰性]](chemically inert)的培養基，讓細菌分解未經處理的污水。這些處理過程通常會經過一連串獨立、有順序性的大型反應槽、機械分離器(mechanical separator)或旋風分離器(cyclone)，以加速水和污泥的分離。[[曝氣]](Aerators)過程使氧氣溶入污水和培養基中進一步加快分解。本方法常被利用於都市廢水處理。 |
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*'''活性污泥法''' |
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[[潛水攪拌機]](Submersible mixers)在缺氧生物反應器中提供[[鼓動]](agitation)，以保持固體顆粒懸浮在溶液中，從而保證細菌和有機物質有「'''相遇'''」的機會。在這個過程中，液體的[[生化需氧量]]（Biochemical Oxygen Demand, BOD）降低到足以且適合再次被利用。[[生物固形物]](biosolids)可被收集並做進一步處理或乾燥後當作肥料。 |
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*'''[http://www.discuss.com.hk/viewthread.php?tid=22451437 微生物自淨法]''' |
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一個非常簡單的污水處理生物反應器是指設置一個化糞池(使汙水留在原地)，並加入(或沒有)介質提供適當環境給細菌；在這種情況下，[[生物污泥]](biosludge)本身就是細菌的主要營養提供者（activated sludge, 活性污泥）。化糞池系統不受洪水或水飽和土地(saturated ground)的影響，適合有足夠土地，且不在乎汙水處理時間和效率的地區。{{Citation needed|date=January 2010}} |
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微生物為推動生物廢水處理的動力引擎，密切監測微生物在生物反應器的數量和質量是重要的關鍵。可利用[[ATP檢驗]](ATP test)來監測。 |
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===滾筒式生物反應器(rotating-wall vessels)=== |
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滾筒式生物反應器是目前組織工程領域最為廣泛應用的生物反應器。主要目標是用來培養試驗或[[治療]]用細胞及組織的生物反應器，在設計上相對於工業生物反應器必定會有顯著的不同的。許多細胞和組織(尤其是[[哺乳動物]]的)，必須有一個穩定的表面或其他結構支撐以幫助其成長，故鼓動的環境往往破壞這些細胞類型和組織的穩定生長。[[高等生物]]細胞是[[營養缺陷型]](auxotrophic)，需要其他高度專業化的生長介質輔助。 |
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[[美國國家太空總署]](NASA)已經研製出一種新型滾筒式生物反應器(NASA tissue cloning bioreactor)能夠培養人工組織細胞(如心臟組織、骨組織、韌帶、癌組織和其他類型的組織) 以提供科學研究。<ref>http://science.nasa.gov/NEWHOME/headlines/msad05oct99_1.htm</ref> |
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關於人工組織培養的更多信息，請參閱[[組織工程]]。 |
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==See also== |
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* [[固定化酶]] |
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* [[藻類生質燃料]] |
* [[藻類生質燃料]] |
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* [[細胞培養]] |
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* [[毛狀根培養]] |
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* [[化糞池]] |
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* [[組織工程學]] |
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==延伸閱讀== |
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* Pauline M Doran, ''Bio-process Engineering Principles,'' Elsevier, 2nd ed., 2013 ISBN 978-0-12-220851-5 |
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== 外部 |
== 外部連結 == |
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* [http://inventgeek.com/Projects/photo-bio-reactor/overview.aspx Photo-bioreactor]. |
* [http://inventgeek.com/Projects/photo-bio-reactor/overview.aspx Photo-bioreactor]. |
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* [http://www.ecaa.ntu.edu.tw/weifang/water/NEW2/%E7%94%9F%E7%89%A9%E8%99%95%E7%90%86%E6%B3%95.htm] |
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* [http://memo.cgu.edu.tw/Secretariat/news/45/research/research_3.htm] |
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2014年6月21日 (六) 19:00的版本
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生物反应器[1]（英語：Bioreactor）是指任何提供生物化學反應的適當環境或工程設備。是利用酶(通常反應會由一個或一群酵素所推動)或生物體（如微生物）所具有的生物功能，在細胞外進行生化反應的裝置系統，是一種生物功能模擬機，過程既可以進行有氧反應進行也可以無氧反應。這些系統在酒類、組織工程、生化工程、醫藥生產、有機污染物降解方面有重要應用。
在來源上可分為自然生物反應器(如人的胃)及工程生物反應器(如發酵罐、固定化酶或固定化細胞反應器等，這些生物反應器通常呈圓筒狀，其體積從幾升到幾立方米不等，常由不銹鋼製成。)兩種。
依物料進出流的型態可分為批次式反應器(Batch reactor)、饋料批次式反應系統(fed batch)以及連續流反應器(Continuous reactor)(如連續攪拌釜式反應器、恆化器)三種。
生物反應器與化學反應器不同，化學反應器從原料進入到產物生成，常常需要加壓和加熱，是一個高能耗過程。而生物反應器則不同，在酶和微生物的參與下，在常溫和常壓下就可以進行化學合成。因此，生物反應器問世之後，應受到化工部門的重視。化學工程專家認為，應該儘可能地讓化學合成過程由生物去完成。設計理想的生物反應器，就成了現代生物技術產業的一個重要任務。
在生物反應器中生長的微生物可以被浸泡在液體介質中或附著在固體介質表面。被浸泡的培樣物質可分為懸浮性與固定化：
- 懸浮性生物反應器不需要特別的附著表面，因此可使用更多種類的生物體，而且可較固定化培養進行更大規模的培養操作；但在連續操作過程中，微生物將從反應器中與流出物一同去除。
- 固定化是一個通用術語，描述多種細胞、顆粒附著體或包封[2]。基本上它可以應用於所有類型的生物催化，包括酶、細胞器、動物和植物細胞；其在連續操作的過程中非常有用，因為生物體不會與反應器流出物一同除去，但也因此在操作規模上受到限制，因為該微生物是只存在有限的容器表面上。[3]。
大型固定化細胞生物反應器舉例:
- 移動床生物反應器(moving media)(MBBR)
- 填充床反應器(packed bed)
- 纖維床生物反應器(fibrous bed)
- 生物膜
生物反應器的設計
生物反應器的設計是一個複雜的生物化學研究工程科學任務；在最佳條件下，使微生物或細胞能表現其功能，產生有限雜質含量以內的產物。生物反應器內的環境條件，如溫度、養分濃度、pH值和氣體溶解度(尤其是關於氧氣的有氧發酵)皆會影響生物體的生長和生產力。
- 溫度：發酵培養基的溫度由單獨使用冷卻夾套、線圈或同時使用兩者來保持；在放熱發酵反應進行時，可能需要另外使用外部熱交換器。在饋料批次式反應系統(fed-batch system)中，營養物質可以被連續地加入到發酵罐(fermenter)中，或者可以在發酵初始時加入反應器中。
- PH值：利用少量的酸或鹼測量和調整培養基的pH值，其值取決於發酵反應。
- 氣體溶解度：對於有氧（和一些厭氧）發酵，反應氣體（尤其是氧氣）為必須反應物，但由於氧對於水（幾乎為所有的發酵培養基的基礎）溶解度較低，因此空氣（或純氧）必須被連續地添加。在溶液中的上升氣泡可充分混合發酵培養基，也可同時“擺脫”溶液中的廢氣，如二氧化碳。實際上，生物反應器都會加壓，增加水中的溶氧量；在耗氧反應過程中，最佳氧氣傳輸步驟常為限速步驟。因為氧氣難溶於水(在溫度較高的發酵液中含量更少)，故其含量對於空氣來說是相對稀少的（20.95％）氧氣的運輸通常是經由攪動來完成，也同時保持營養物質的均勻分布，幫助勻相發酵反應進行；氣體分散攪拌器(Gas dispersing agitators)就是用來打破的氣泡使其均勻分布於整個容器中的工具。
垢會損害生物反應器的整體效率，尤其是熱量的交換。為了避免垢的產生，生物反應器必須易於清理，內表面通常由不銹鋼製成，以便清洗和消毒。典型生物反應器會在批次間清洗，或以特殊設計減少連續操作中結垢的可能。熱傳導能力是反應器設計的一個重要部分；小導管可利用冷卻夾套來冷卻，但較大的導管，就可能需要線圈或外部熱交換器。
生物反應器的種類
光反應器(photobioreactor)
光反應器（PBR）是一種內含光源系統的生物反應器，幾乎所有的半透明容器都可稱為PBR，但是該術語是比較常用來描述一個封閉的系統，而不是一個開放式水箱或水池。 光反應器可用來培養自營生物(如藍細菌、藻類、苔蘚或植物)[4]。這些微生物利用光合作用作為其能量來源，不需要利用糖或脂肪代謝作為其能量來源，因此其外來微生物汙染(如細菌或真菌)的風險低於異營生物反應器。
污水處理(Sewage treatment)
- 滴濾池法
為最有效的系統，提供有流動性(free-flowing)且具有化學惰性(chemically inert)的培養基，讓細菌分解未經處理的污水。這些處理過程通常會經過一連串獨立、有順序性的大型反應槽、機械分離器(mechanical separator)或旋風分離器(cyclone)，以加速水和污泥的分離。曝氣(Aerators)過程使氧氣溶入污水和培養基中進一步加快分解。本方法常被利用於都市廢水處理。
- 活性污泥法
潛水攪拌機(Submersible mixers)在缺氧生物反應器中提供鼓動(agitation)，以保持固體顆粒懸浮在溶液中，從而保證細菌和有機物質有「相遇」的機會。在這個過程中，液體的生化需氧量（Biochemical Oxygen Demand, BOD）降低到足以且適合再次被利用。生物固形物(biosolids)可被收集並做進一步處理或乾燥後當作肥料。
一個非常簡單的污水處理生物反應器是指設置一個化糞池(使汙水留在原地)，並加入(或沒有)介質提供適當環境給細菌；在這種情況下，生物污泥(biosludge)本身就是細菌的主要營養提供者（activated sludge, 活性污泥）。化糞池系統不受洪水或水飽和土地(saturated ground)的影響，適合有足夠土地，且不在乎汙水處理時間和效率的地區。[來源請求]
微生物為推動生物廢水處理的動力引擎，密切監測微生物在生物反應器的數量和質量是重要的關鍵。可利用ATP檢驗(ATP test)來監測。
滾筒式生物反應器(rotating-wall vessels)
滾筒式生物反應器是目前組織工程領域最為廣泛應用的生物反應器。主要目標是用來培養試驗或治療用細胞及組織的生物反應器，在設計上相對於工業生物反應器必定會有顯著的不同的。許多細胞和組織(尤其是哺乳動物的)，必須有一個穩定的表面或其他結構支撐以幫助其成長，故鼓動的環境往往破壞這些細胞類型和組織的穩定生長。高等生物細胞是營養缺陷型(auxotrophic)，需要其他高度專業化的生長介質輔助。
美國國家太空總署(NASA)已經研製出一種新型滾筒式生物反應器(NASA tissue cloning bioreactor)能夠培養人工組織細胞(如心臟組織、骨組織、韌帶、癌組織和其他類型的組織) 以提供科學研究。[5]
關於人工組織培養的更多信息，請參閱組織工程。
See also
References
- ^ [IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (1997). Online corrected version: (2006–) "bioreactor"]
- ^ Lopez A, Lazaro N, Marques AM. The interphase technique: a simple method of cell immobilization in gel-beads. J Microbiol Methods, 1997, 30:231-234.
- ^ Peinado PA, Moreno JJ, Villaba JM, Gonzalez-Reyes JA, Ortega JM, Mauricio JC. A new immobilization method and their applications. Enzyme Microb Tech, 2006, 40:79-84.
- ^ Eva L. Decker und Ralf Reski (2008): Current achievements in the production of complex biopharmaceuticals with moss bioreactor. Bioprocess and Biosystems Engineering 31, 3-9 [1]
- ^ http://science.nasa.gov/NEWHOME/headlines/msad05oct99_1.htm
延伸閱讀
- Pauline M Doran, Bio-process Engineering Principles, Elsevier, 2nd ed., 2013 ISBN 978-0-12-220851-5