什么是生物反应器？生物反应器的核心技术、分类及应用一览

什么是生物反应器

生物反应器指的是利用生物催化剂为细胞培养提供良好的反应环境的设备，是集中了机械、流体、控制和生物等多重学科内容的高新技术产品。生物反应器的控制参数包括温度、溶解氧、PH、流体动力学、营养物质和代谢产物等，其最终目的是高效率地生产出具有医药价值的目标产物如单抗、疫苗等。

目前生物反应器的应用广泛，研究方向很多，包括生物反应器设计制造，反应过程的参数检测和操作监视，自动化控制等。

总的来说，生物反应器位于生物药生产的上游，是整个生物药产业链整合的设备端入口，行业重要性显著，投资价值高。

生物反应器的核心技术

(1)过程自动化操控等“软件实力”：例如自动化生产过程中，为了控制pH值在恒定范围，反应器加碱、CO2的时间点，补料量等参数;以及恒温的控制技巧等。

(2)搅拌技术：搅拌对于细胞的剪切力，对于传质、传热、传氧的影响，对于细胞是否能够长时间生存分泌有很大影响，是制约一次性生物反应器生产规模的关键。

生物反应器的分类及应用

微生物生物反应器(发酵罐)：是最传统的生物反应器，应用最为广泛，起源于第二次世界大战后的抗生素工业发展。以钢制材料为主的刚性结构，操作过程已实现全自动化，并能对过程参数实现在线监测，我国在此领城的装置基本能够实现国产化。

主要发展趋势：提高对该类反应器的过程在线参数的实时在线检测;实施过程大数据的处理与应用;用于旱期过程工程研究的高通量微型反应器。

应用：食品，氨基酸，抗生素，酶制剂，生物催化法合成的化合物，基于合成生物学技术的产品生产、基因工程重组蛋白、DNA疫苗，以及微生物细胞工厂的扩增等重要的生物过程。

主要形式：搅拌式反应罐(stirred tank reactor,STR)是代表性的生物反应器，还有气提式、灌注式以及恒化器等多种结构与操作形式。

哺乳细胞悬浮培养生物反应器：随着近20年来生物医药技术的发展，快速发展起来的一类新型生物反应器，以钢材料为主的刚性结构为主，但是用高分子材料生产的一-次性生物反应器也逐渐得到重视，目前属于生物反应器中的高端设备，我国目前在此领域还不具备规模化生产能力和技术创新实力。

主要发展趋势：小型化，实现多参数在线监测与控制，反应器主体与配件的一次性化，以及反应器的小型化(高通量培养和个体化的T细胞治疗)。该类型的生物反应器是国际上生物反应器产业技术的发展热点。

应用：以治疗性抗体为代表的需要经过转录修饰的蛋白质的生产，病毒疫苗的生产，以临床治疗为目的细胞的扩增培养(免疫细胞和干细胞)。

主要形式：①以搅拌式(STR)反应器为主要形式。②波浪式生物反应器(wave bag)、 灌注式半连续生物反应器也得到广泛应用。③基于个体化细胞肿瘤治疗的生物反应器(CAR-T细胞生物反应器等)。

哺乳细胞贴壁培养生物反应器：工业规模的贴壁型哺乳细胞生物反应器在我国尚处在起步阶段，但是国际上的搅拌式(STR)微载体细胞培养生物反应器已达到6000L的规模。

发展趋势：提高单位体积的细胞培养生产效率，采用一次性生物反应器技术。此外，新型固定床生物反应器和中空纤维生物反应器的创新将推动我国病毒疫苗产业生产方式的改变。该类型的生物反应器是本领域的一个发展重点。

应用：用于需要贴壁生长的动物细胞培养，最主要的培养目的是生产病毒疫苗。

主要反应器形式：①使用球状微载体的搅拌式(STR)反应器。②转瓶式生物反应器，因工艺落后、操作复杂、容易染菌等缺点目前逐渐被淘汰。③中空纤维式生物反应器等。④为提高单位体积内的细胞培养密度，(纸片 式微载体)固定床式的生物反应器近年来在细胞贴壁培养中也已开发成功。

光生物反应器：研制开发出光合效率较高、成本相对低廉的光生物反应器大量培养藻类是光生物反应器的发展方向。我国目前基本，上能够生产各种形式的光生物反应器，满足相关生物过程工程的应用。

应用：光生物反应器是一类用于光合微生物培养的装置，目前一般指用于微藻培养的反微流控生物反应器应器。微藻富含蛋白质、油脂、色素、维生素及矿物元素等多种成分，在品、饲料、能源、环保等方面具有重要的应用价值。

藻类光合物反应器一般分两种类型:开放式和封闭式。①开放式光合生物反应器以开放式跑道水池为主。②封闭式光合生物反应器的种类很多，有管状、板状、螺旋状等，其应用于大型海藻养殖产业，为大型海藻的细胞工程育苗技术的研究和产业化提供必备的条件，还可应用于微藻大规模培养、微藻生物活性物质的开发与生产等。

其他生物反应器：目前随着我国生物医药发展对从DNA到IND过程极大高效完成的需求，不同形式的高通量微型生物反应器逐渐出现。多学科技术的交互将不断促进反应器的创新。

类型：①针对过程工程研究和高通量细胞/细茵筛选的微型生物反应器(孔板式生物反应器、等)。②组织细胞3D培养生物反应器。③动物乳腺生物反应器。

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