动物细胞生物反应器

生物反应器指以活细胞或酶为生物催化剂进行细胞增殖或生化反应提供适宜环境的设备，它是生物反应过程中的关键设备。

生物反应器的结构、操作方式和操作条件的选定对生物化工产品的质量、收率（转化率）和能耗有密切关系。

生物反应器的设计、放大是生化反应工程的中心内容，也是生物化学工程的重要组成部分。

分类从生物反应过程说，发酵过程用的反应器称为发酵罐；酶反应过程用的反应器则称为酶反应器。

另一些专为动植物细胞大量培养用的生物反应器，专称为动植物细胞培养装置。

发酵罐发酵罐若根据其使用对象区分，可有：嫌气发酵罐、好气发酵罐、污水生物处理装置等。

其中嫌气发酵罐最为简单，生产中不必导入空气，仅为立式或卧式的筒形容器，可借发酵中产生的二氧化碳搅拌液体。

若以操作方式区分，有分批操作和连续操作两种。

前者一般用釜式反应器，后者可用连续搅拌式反应器或管式及塔式反应器。

好气发酵罐按其能量输入方式或作用原理区分，可有：①具有机械搅拌器和空气分布器的发酵罐这类发酵罐应用最普遍，称为通用式发酵罐。

所用的搅拌器一般为使罐内物料产生径向流动的六平叶涡轮搅拌器，它的作用为破碎上升的空气泡和混合罐内的物料。

若利用上下都装有蔽板的搅拌叶轮，搅拌时在叶轮中心产生的局部真空,以吸入外界的空气,则称为自吸式机械搅拌发酵罐。

②循环泵发酵罐用离心浆料泵将料液从罐中引出，通过外循环管返入罐内。

在循环管顶端再接上液体喷嘴，使之能吸入外界空气的,称喷射自吸发酵罐。

③鼓泡塔式发酵罐以压缩空气为动力进行液料搅拌，同时进行通气的气升发酵罐。

目前，世界所发展的大型发酵罐是英国卜内门化学工业公司的发酵罐，它以甲醇为原料生产单细胞蛋白的压力循环气升发酵罐,其直径为7m，高为60m，总容量为 2300m□，自上至下有5000～8000个喷嘴进料。

目前，还有些发酵产品，如固体曲等，使用专门设计的能调节温、湿度的旋转式固体发酵装置。

生产甲烷（沼气）用的是嫌气发酵罐，也称消化器或沼气发生器，这种发酵罐装有搅拌器，顶部有的有浮顶。

动物生物反应器建立的主要方法与技术
动物反应器建立是在生命科学领域中一种很重要的工作，这是为了帮助研究者了解和
分析不同类型动物及其生理、生化、行为反应机制。

为了建立动物反应器，科学家们一般
采用以下方法和技术：
1、细胞及分子技术：细胞和分子技术主要用于动物反应器的建立和研究，它们可以
用于展示和模拟动物的行为反应。

通过这种技术，可以研究动物的抗逆性和细胞应激反应，以及探究其发育、基因调控和信号转导机制。

2、生物信息学：生物信息学是研究动物基因组、组蛋白和转录组特征的重要学科，
研究者可以通过对动物基因组、组蛋白和转录组数据的重新构建和分析，来了解动物反应
器的成因、构成、功能等。

3、基因编辑技术：基因编辑技术可以准确和有效地操作指定的基因，使得动物反应
器的建立更容易，从而有助于研究生物调控机制。

目前已发展出包括Crispr-Cas、TALENs、ZFNs等多种基因编辑技术。

4、基于模型动物的实验室技术：模型动物是研究动物反应器的重要实验室技术，通
常采用基因改造技术，利用小鼠、猪、非洲爪哇鼠等模型动物探究动物反应器的规则。

5、大数据和计算机技术：大数据和计算机技术可以为动物反应器的建立提供重要的
支持，它们可以用于整合、可视化和分析大量生物学数据，从而帮助研究者了解和分析动
物反应器的特征。

总而言之，动物反应器建立涉及多种技术和方法，包括细胞和分子技术、生物信息学、基因编辑技术、模型动物实验室技术、大数据和计算机技术等。

不断发展的这些技术为研
究动物反应器提供了强大的工具。

生物反应器概念
生物反应器（Bioreactor）是一个用于培养生物细胞、组织或其他生物实体以生产生物产品的系统。

它是一个封闭的、可控制环境参数的设备，能够提供适宜生物生长和代谢的物理和化学环境。

这些环境参数包括但不限于温度、pH值、溶解氧、营养物质供应、代谢废物移除等。

生物反应器有很多种类型，包括传统的酵母或细菌培养的发酵罐、哺乳动物或植物细胞培养的悬浮培养器、固定化细胞或酶的固定床反应器，以及用于培养组织的生物反应器。

每种类型的生物反应器都有其特殊的设计和操作要求，以满足特定生物实体的生长和生产需要。

生物反应器在许多领域都有应用，如制药、食品和饮料、生物技术、农业、环境工程等。

例如，制药工业中，生物反应器常被用于生产抗体、疫苗、细胞疗法产品等；在环境工程中，生物反应器则常被用于处理废水或其他废物。

生物反应器，是指利用酶或生物体(如微生物、动植物细胞等)所具有的特殊功能，在体外进行生物化学反应的装置系统。

生物反应器与化学反应器不同。

化学反应器从原料进入到产物生成，常常需要加压和加热，是一个高能耗过程。

而生物反应器则不同，在酶和微生物的参与下，在常温和常压下就可以进行化学合成。

因此，生物反应器问世之后，就受到化工部门的重视。

化学工程专家认为，应该尽可能多地让化学合成过程由生物去完成。

设计理想的生物反应器，就成了现代生物技术产业的一个重要任务。

设计生物反应器时要考虑两点：一是选择特异性高的酶或适宜的活细胞作为催化剂，尽可能减少副产物，提高产品产量；二是尽可能提高产物的浓度，降低成本。

生物反应器首先在发酵工业中得到应用。

发酵工业中使用的生物反应器，实际上是发酵罐。

另一种是以固定化酶或固定化细胞为催化剂的酶反应器。

世界上最大的发酵罐高达100米，直径7米，容积为4000立方米。

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。

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