生物反应器
生物反应器是一种生物技术设备，主要用于生物发酵、生物转化和生物固定化等过程的实现，是生物技术学领域中的核心设备之一。生物反应器按规模大小可分为实验室规模、小型工业规模、大型工业规模及超大型规模，广泛应用于生物制药、食品工业、环保工程、化工领域及实验室研究等不同领域。本文主要介绍生物反应器的基本概念、分类、结构、功能与应用等方面的内容。
一、生物反应器的基本概念
生物反应器是一种专门用于维持和促进生物体生长繁殖，并对物质能量进行转化的设备。是利用微生物生长代谢的能力，进行化学制品或生物制品的生产。反应器内部常温度、氧气含量、pH值、营养物浓度等参数进行监测与控制，以维持接近理想的生长环境，从而提高微生物总体产量和单独化合物的产量。
二、生物反应器的分类
按微生物名称分为真菌反应器和细胞反应器两种；按操作条件分为常压和高压反应器两种；按反应器内混合方式分为不同类型，如机械混合反应器、气液混合反应器、液相连续搅拌反应器、固相悬浮式反应器等；按生产工艺分则有批量式反应器、半连续式反应器和连续式反应器等。
三、生物反应器的结构
生物反应器结构包括传质层、反应层和生物活性层三个部分。传质层由反应器外壳和传质器件（气体传输系统与吸收液传输系统）组成，热量传递和质量传递的效率决定于传质器件的选择和设计。反应层由反应器罐体、搅拌器、传热器、控制仪等组成，其内部环境的压力、温度、营养物浓度、气相浓度、氧含量、pH值等参数决定了反应的产物和效率。生物活性层是一个重要的环节，是水生生物或微生物参与反应的主要部分。其中，微生物是生物活性层的核心，它们根据营养状态发生生长、代谢和能量转换等复杂的反应，完成指定的反应目的。
四、生物反应器的功能
生物反应器的主要功能是实现微生物生长代谢和化学过程，从而获得所需的生物制品或化学成品。其次，需要满足反应器内环境的生物学和物理学参数要求，如空气、水、营养物、pH、pO2、温度、压力、流量等参数，确保最大的反应效率和最佳的反应条件。最后，应将反应器卫生洁净，以防止微生物及其代谢物质污染，并投入稳定的生产状态，实现长时间连续生产的目标。
２０１３年１１月 第２１期总第２９５期 内蒙古科技与经济 Ｉｎｎｅｒ Ｍｏｎｇｏｌｉａ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｅｃｏｎｏｍｙ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２０１３ Ｎｏ．２１ Ｔｏｔａｌ Ｎｏ．２９５
浅析动物细胞悬浮培养反应器
贾 英，赵丽霞，冯俊林，王占云 （内蒙古金宇保灵生物药品有限公司，内蒙古呼和浩特０１００３０） 摘 要：摘要：生物反应器是大规模细胞悬浮培养的核心设备，由于动物细胞与微生物细胞有很大 差异，对体外培养环境有严格的要求，所以借助生物反应器模拟体内环境使细胞进行增殖，是动物细胞 能在体外存活并大量繁殖的有效途径。因此，生物反应器是动物细胞悬浮培养的重要支柱，它的设计和 选择直接影响动物细胞悬浮培养的成败，文章对生物反应器的各个系统进行了剖析，予以在实践中指导 试验和生产。 关键词：反应器；细胞悬浮培养；动物细胞 中图分类号：Ｒ３１８．１ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１Ｏ０７ ６９２ｌ（２０１３）２１一Ｏ１Ｏ４一Ｏ２ １ 反应器的壳体要求 动物细胞的培养对与细胞直接接触的培养容器 表面有特殊的要求。培养表面必须具有生物相容性 和亲水性，表面同时必须有较高的光洁度，易于清 洁，且不能对细胞造成损伤和伤害，与培养液接触的 附件体也必须光滑圆润，不能有棱角尖端。 培养用反应器可以是塑料材质，也可以是玻璃 材质制成的，但大规模培养用反应器须为不锈钢压 力容器。由于细胞培养要求严格的无菌环境，所以 大体积反应器必须符合耐高温高压在线灭菌要求， 通常最低要耐受１３０℃的温度，即杀死芽孢的温度。 罐体比例通常以高经来表示罐体几何尺寸。科 学意义的高经比是指罐身高（不含罐封头）与罐内直 径的比值。高经比越大，溶氧速率越好，但搅拌传质 效果相对较差，对搅拌器要求较高，相反高经比越 小，溶氧速率越差，而搅拌效果相对较好。在动物细 胞悬浮培养中，反应器的高径比选择在１～２较为合 适，既能有较好的传质效果，又能达到较高的溶氧速 率。表１列举了几种高径比在１～２的反应器及其 培养细胞的密度和活力的数据，详见表１。 表１ 反应器高径比及其细胞培养结果 反应器罐 最高细胞培养密度 最高细胞 反应器 设备 体高径比 （×１０ ｃｅｌｌｓ／ｍ１） 培养活力（ ） 容积（Ｌ） 厂家 １．０：１ ９．２８ １ＯＯ １０００ Ａ １．２：１ １１．１ １Ｏ０ ５０Ｏ Ｂ １．７：１ ８．７２ １Ｏ０ ５ Ｃ １．９：１ １０．０７ １００ １ＯＯ Ｄ ２反应器附件系统 ２．１ 搅拌器 搅拌器是反应器传质、传热的重要部件，直接影 响细胞的培养效果。搅拌器一般分为机械密封搅拌 器和磁力搅拌器，机械密封搅拌器叶片直径大，低转 速下就可达到很好的传质效果，但由于靠机械密封 来隔离外界环境，且对搅拌轴的质量要求很高，所 收稿日期：２０１３—０９—３０ ・１０４・ 以，存在潜在的污染风险。磁力搅拌器一般较小，需 较高转速才能达到好的传质效果，且随着搅拌转速 的增加，对细胞产生剪切损伤也在增加，但磁力搅拌 的磁力驱动头与反应器内胆是无缝密闭安装，无污 染风险。所以培养体积在１Ｏ００Ｌ以内的反应器适 宜用磁力搅拌反应器，培养体积大于ＩＯ００Ｌ的反应 器用机械密封搅拌反应器为宜。 机械密封搅拌器又可分为顶部机械搅拌和底部 机械搅拌，无论是顶搅拌还是底搅拌，机械密封和搅 拌轴无疑是最重要的两个部分。搅拌轴要求均匀平 直，安装垂直，一旦有轴偏向或安装不垂直现象，就 会导致机械密封的偏向磨损，最终会出现泄漏和污 染的危险。机械密封有单端面机封和双端面机封， 双端面机封的中间腔内可加带压的无菌气体或液 体，所以为了密封得更可靠，易消毒灭菌且不留死 角，优选双端面机封。而搅拌桨叶对均质效果也是 非常重要的，平浆式桨叶只能产生径向液流，故需挡 板的辅助才能产生轴向液流并更能有效传质和传 热。而螺旋式桨叶可随桨叶倾斜角度的改变，不需 挡板即可产生轴向液流，混合效果也好，产生的剪切 力也小。如果二者同时配装，底层平浆式，上层螺旋 式，效果更佳。 ２．２ 夹套系统 反应器夹套是模拟机体内的正常生理条件下生 存的温度条件，让细胞在反应器中生存、生长和繁殖 的温度调节系统，因此反应器夹套系统也是反应器 非常重要的附件体系。反应器夹套有螺旋半圆管 式，蜂窝式，米勒板式等形式，近来又有人发明了一 种蜂窝板片螺旋式夹套，无论哪种形式，就传热要求 而言，既要保证热传递效果，又要求无过热点。要保 证传热要求，就离不开另一配套附件一热交换器。 以形状来分，换热器有板式热交换器、管式热交换 器；以加热来源分，换热器有电加热热交换器、汽加 热热交换器、电汽混合加热热交换器。汽加热热交
动物细胞培养反应器
动物细胞培养反应器
动物细胞体外培养时，生物反应器是整个培养过程的关键设备，为细胞提供了一个适宜的生长环境，使之快速增殖并形成所需的生物组织制品。由于动物细胞在其形态结构、培养方法以及所需的力学环境等方面均不同于微生物细胞，因而传统的微生物反应器显然已不适用于动物细胞大规模培养，特别是组织工程的需要，促使新型生物反应器的研究与开发。
动物细胞培养反应器-分类及结构特点
动物细胞培养反应器
1、搅拌式生物反应器
搅拌式反应器靠搅拌桨提供液相搅拌的动力，它有较大的操作范围、良好的混合性和浓度均匀性，因此在生物反应中被广泛使用。但由于动物细胞没有细胞壁的保护，因此对剪切作用十分敏感，直接的机械搅拌很容易对其造成损害，传统的用于微生物的搅拌反应器用作动物细胞的培养显然是不合适的。所以，动物细胞培养中的搅拌式反应器都是经过改进的，包括改进供氧方式、搅拌桨的形式及在反应器内加装辅件等。
（1）供氧方式的改进
一般情况下搅拌式反应器还常伴有鼓泡，为细胞生长提供所需氧分。由于动物细胞对鼓泡的剪胞生长提供所需氧分。由于动物细胞对鼓泡的剪切也很敏感，所以人们在供氧方式的改进上做了许多工作。
笼式供氧是搅拌式动物细胞反应器供氧方式的一种，即气泡用丝网隔开，不与细胞直接接触。反应器既能保证混合效果又有尽可能小的剪切力，以满足细胞生长的要求。北野昭一报道了一个经过改进的搅拌式动物细胞反应器，整体呈梨形，搅拌置于反应器底部，在搅拌轴外装了一个锥形不锈钢丝网与搅拌轴一起转动。轴心处的鼓泡管在丝网内侧鼓泡，丝网外侧的细胞不与气泡直接接触。
（2）搅拌桨的改进
搅拌桨的形式对细胞生长的影响非常大，这方面的改进主要考虑如何减小细胞所受的剪切力。有人对搅拌桨的形式作了改进，并在反应器内加装了辅件，实验证明改进后的反应器适用于对剪切力敏感的细胞进行高密度培养。反应器采用了一个双螺旋带状搅拌桨，顶部的法兰盖上安装了3块表面挡板。每块挡板相对于径向的夹角为30°，垂直插入液面。挡板的存在减小了液面上的旋涡。这个反应器维持了较小的剪切力，实验中用于昆虫细胞的培养，最终的培养密度达到6×106个/mL，成活率在98%以上。
动物细胞培养生物反应器的操作模式
米 力
第四军医大学细胞工程中心，国家863西安细胞工程基地
陕西西安，710032
动物细胞培养工艺的选择首先考虑的重要一点是该产品所涉及的生物反应器系统。选择反应器系统也就是选择产品的操作模式，操作模式选择将决定该产品工艺的产物浓度、杂质量和形式、底物转换度、添加形式、产量和成本，工艺可靠性等。与许多传统的化学工艺不同，动物细胞反应器设备占整个工艺资金总投入的主要部分（＞50%），也就是说动物细胞培养工艺的选择主要部分是生物反应器系统的选择。选择反应器系统及培养工艺时，必须对工艺的整体性进行全面考虑，主要包括以下几个方面：细胞株及生长形式、产物表达量和稳定性，培养基质及代谢物，产物分离和纯化难度等。
动物细胞大规模培养的生物反应器操作模式，一般分为分批式操作（batch）、流加式操作（Fed-batch）、半连续式操作（semi-continuous）、连续式操作（continuous）和灌流式操作（perfusion）五种操作模式。
1. 批式操作（batch culture）
批式操作是动物细胞规模培养发展进程中较早期采用的方式，也是其它操作方式的基础。该方式采用机械搅拌式生物反应器，将细胞扩大培养后，一次性转入生物反应器内进行培养，在培养过程中其体积不变，不添加其它成分，待细胞增长和产物形成积累到适当的时间，一次性收获细胞、产物、培养基的操作方式。
该方式的特点:(1) 操作简单。培养周期短，染菌和细胞突变的风险小。反应器系统属于封闭式，培养过程中与外部环境没有物料交换，除了控制温度、pH值和通气外，不进行其他任何控制，因此操作简单，容易掌握；(2)直观的反应细胞生长代谢的过程。 由于培养期间细胞的生长代谢是在一个相对固定的营养环境，不添加任何营养成分,因此可直观的反应细胞生长代谢的过程,是动物细胞工艺基础条件或"小试"研究常用的手段；(3)可直接放大。由于培养过程工艺简单，对设备和控制的要求较低，设备的通用性强，反应器参数的放大原理和过程控制，比较其它培养系统较易理解和掌握，在工业化生产中分批式操作是传统的、常用的方法，其工业反应器(Genetech)规模可达12000L。
