固定化细胞反应器：应用范围广泛但存在操作难度

利用固定化细胞反应器完成固定化细胞的生化反应，固定化细胞反应器包括以下几种类型。

（一）填充床反应器

填充床反应器，又称固定床反应器。将固定化细胞填充于反应器内，制成稳定的柱床，然后，通入底物溶液，在一定的反应条件下实现酶催化反应，以一定的流速，收集含产物的转化液（图10-14）。反应过程中，床层静止不动，流体通过床层进行反应。该反应器适用于各种形状的固定化细胞、黏度不大的底物溶液以及有产物抑制的转化反应，是目前在固定化酶和细胞技术中使用最普遍、应用也最广泛的一种反应器，被广泛用于工业化生产。

图10-14 填充床反应器模式图

该反应器的优点：①便于底物和催化剂的充分接触及产物与催化剂的分离，可连续生产；②与搅拌式反应器相比，催化剂机械损耗小，可重复利用，适于长时间的工业化生产；③结构简单，反应速率快，效率高。缺点：①操作过程中催化剂不能更换；②传质系数和传热系数相对较低；③氧气传输系数相对较低。④当底物溶液含固体颗粒或黏度很大时，会引起堵塞现象，也不宜采用。

（二）流化床反应器

流化床反应器是利用底物溶液以足够大的流速，从反应器底部向上通过固定化细胞柱床时，便能使固定化细胞颗粒始终处于流化状态，如图10-15所示。该反应器具有固液混合好的优点，有利于固定化细胞的增殖，从而得到相对稳定的细胞数量。由于混合程度高，使得传质和传热情况良好且不会堵塞，因此，流化床反应器适用于底物是黏性或颗粒性物质，或反应需供气、排气的情况。由于底物流动速度较大，流化床反应器不适用于需停留时间长的反应。

图10-15 流化床反应器模式图

（三）间歇式搅拌反应器

间歇式搅拌反应器，又称间歇式搅拌罐或搅拌式反应罐。其特点是底物与固定化酶（细胞）一次性投入反应器内，产物一次性取出。反应完成之后，固定化酶（细胞）用过滤法或超滤法回收，再转入下一批反应。(www.xing528.com)

该反应器装置较简单，造价较低，传质阻力很小，反应能很迅速达到稳态。缺点是操作麻烦，固定化细胞经反复回收使用时，易失去酶活性。

（四）连续式搅拌反应器

连续式搅拌反应器如图10-16所示。向反应器投入固定化细胞和底物溶液，不断搅拌，反应达到平衡之后，再以恒定的流速连续流入底物溶液，同时，以相同流速输出反应液（含产物）。反应桶内装有搅拌器，使反应组分与固定化细胞颗粒混合均一，出口处有过滤膜，可使不断补充的新鲜底物与反应液流量维持动态平衡。这种反应器适合于有底物抑制的情况。

图10-16 连续式搅拌反应器

连续式搅拌反应器开放式结构便于更换固定化细胞，也便于温度和pH的控制。其缺点是搅拌产生较大的剪切力，容易对固定化细胞造成破坏。通过增强固定化颗粒强度或改变搅拌方式可部分解决这一问题。

（五）中空纤维反应器

中空纤维反应器如图10-17所示。用具有半透性的空心纤维填充的反应器，空心纤维在反应器中提供很大的催化剂表面积。这种空心纤维只能让反应物和产物通过，而不让完整细胞通过。空心纤维在反应器系统中可按不同方式排列，可以将完整细胞包埋在纤维束的外壳上，而使底物在纤维中通过，底物通过中空纤维壁扩散到细胞中去，而产物又扩散到中空纤维中来；相反，细胞可以固定在纤维中，而底物在中空纤维外通过。

图10-17 中空纤维反应器模式图

中空纤维反应器能完整保留细胞，细胞更换方便，有利于维持其活性或生产不同的产物。其主要缺点：无法保证细胞的均匀分布，稳定性差；使用的反应液必须进行预过滤，以防止颗粒堵塞纤维。