生物反应器设计的艺术：一份综合指南

生物反应器，又称发酵罐，是许多生物工艺的核心，为生物反应的发生提供一个受控的环境。其设计是一门多学科交叉的艺术，融合了化学工程、微生物学、生物化学和机械工程的原理。本指南旨在为参与生物工艺工程的全球受众（从学生到经验丰富的专业人士）提供生物反应器设计考量的全面概述。

生物反应器设计基础

生物反应器设计的核心在于创造一个能最优化地支持微生物或细胞生长和代谢活动的环境。这需要仔细考虑几个关键因素：

• 混合：确保反应器内营养物质、温度和pH值的均匀性。
• 通气：为好氧生物提供充足的氧气，同时去除二氧化碳。
• 温度控制：维持生物反应的最佳温度。
• pH控制：调节pH值以防止抑制或细胞损伤。
• 无菌性：防止外来微生物的污染。

基本生物反应器组件

一个典型的生物反应器由以下组件构成：

• 罐体：容纳培养物的容器。常用材料包括不锈钢、玻璃和一次性塑料。
• 搅拌系统：用于混合反应器内物料的叶轮或搅拌器。
• 通气系统：用于向培养物中引入空气或氧气的分布器。
• 温控系统：用于维持所需温度的夹套或内部蛇管。
• pH控制系统：用于添加酸或碱以维持所需pH值的传感器和泵。
• 传感器与控制系统：监测和控制温度、pH、溶解氧（DO）和生物量浓度等关键参数。
• 取样系统：用于取出样品进行分析的装置。

生物反应器的类型

生物反应器有多种设计，每种设计都适用于不同的应用和生物体。以下是一些最常见的类型：

搅拌釜式生物反应器（STRs）

搅拌釜式生物反应器是使用最广泛的类型。它们由一个带有叶轮提供混合的圆柱形罐体组成。STRs功能多样，可用于从微生物发酵到哺乳动物细胞培养的广泛应用。

优点：

• 混合环境良好
• 温度控制良好
• 相对容易进行规模放大

缺点：

• 高剪切力可能损伤敏感细胞
• 清洁和灭菌可能比较困难

气升式生物反应器

气升式生物反应器利用空气来混合和通气培养物。由于没有机械叶轮，它们特别适用于剪切敏感的细胞。

优点：

• 剪切力低
• 设计简单
• 适用于剪切敏感的细胞

缺点：

• 混合效率低于STRs
• 难以进行规模放大

鼓泡塔生物反应器

鼓泡塔生物反应器与气升式生物反应器类似，但没有内部导流筒。空气直接从塔底喷入，提供混合和通气。

优点：

• 设计简单
• 成本低

缺点：

• 混合效果差
• 难以控制

填充床生物反应器

填充床生物反应器包含一个固体基质，如微珠或纤维，为细胞提供附着表面。营养物质在床内循环，为细胞生长提供所需资源。

优点：

• 细胞密度高
• 适用于固定化细胞

缺点：

• 难以进行规模放大
• 容易堵塞

流化床生物反应器

流化床生物反应器与填充床生物反应器类似，但固体基质悬浮在流体中。这可以实现更好的混合和传质。

优点：

• 良好的混合和传质
• 细胞密度高

缺点：

• 设计复杂
• 难以控制

光生物反应器

光生物反应器专为培养光合生物（如藻类和蓝藻细菌）而设计。它们通常是透明的，以允许光线穿透培养物。

优点：

• 光利用率高
• 环境可控

缺点：

• 成本高
• 难以进行规模放大

一次性生物反应器（SUBs）

一次性生物反应器是预先灭菌的、可抛弃的生物反应器，无需清洁和灭菌。它们在生物制药制造业中越来越受欢迎。

优点：

• 降低清洁和灭菌成本
• 降低污染风险
• 周转时间更短

缺点：

• 每批次成本较高
• 与塑料废物相关的环境问题

关键设计考量

设计生物反应器时必须考虑几个因素。这些因素包括：

细胞类型

所培养的细胞类型将对生物反应器设计产生重大影响。例如，剪切敏感的哺乳动物细胞与坚固的细菌所需的生物反应器设计不同。

• 微生物发酵：通常需要高通气和高混合以支持快速生长。STRs通常是合适的。
• 哺乳动物细胞培养：需要更温和的混合和通气以避免细胞损伤。气升式生物反应器或带有低剪切叶轮的改良STRs是首选。
• 植物细胞培养：需要特定的营养配方，并可能受益于如喷雾生物反应器等特殊设计。
• 藻类培养：需要光线穿透和高效的二氧化碳输送。光生物反应器是专门为此目的设计的。

操作规模

操作规模也会影响生物反应器的设计。小规模生物反应器可以简单且廉价，而大规模生物反应器则需要更复杂的工程设计。

混合与通气

高效的混合和通气对生物反应器的性能至关重要。混合确保营养物质在培养物中均匀分布，而通气则提供细胞生长所需的氧气。

混合策略：

• 叶轮设计：常用的有Rushton涡轮、斜叶涡轮和船用螺旋桨。选择取决于培养物的粘度和所需的混合强度。
• 挡板设计：挡板用于防止涡流形成并提高混合效率。
• 搅拌速度：必须优化搅拌速度，以提供足够的混合而不会造成过度的剪切应力。

通气策略：

• 分布器设计：分布器将空气或氧气引入培养物。可以使用不同的分布器设计，如多孔分布器或喷嘴分布器，以产生不同大小的气泡。
• 气体流速：必须优化气体流速，以提供足够的氧气而不会带走挥发性化合物。
• 氧气富集：在某些情况下，可能需要用氧气富集空气以满足细胞的需氧量。

温度与pH控制

维持最佳的温度和pH对细胞生长和产物形成至关重要。温度通常通过夹套或内部蛇管来控制，而pH则通过添加酸或碱来控制。

温控系统：

• 加热和冷却夹套：在生物反应器罐体周围循环加热或冷却的水。
• 内部蛇管：提供比夹套更高效的热传递。
• PID控制器：用于根据温度传感器的反馈自动调节温度。

pH控制系统：

• pH传感器：测量培养物的pH值。
• 酸碱泵：添加酸或碱以调节pH值。
• PID控制器：用于根据pH传感器的反馈自动调节酸碱的添加。

灭菌

灭菌对于防止污染至关重要。生物反应器通常通过高压蒸汽灭菌或使用化学灭菌剂进行灭菌。

灭菌方法：

• 高压蒸汽灭菌：使用高压蒸汽杀死微生物。
• 化学灭菌：使用化学灭菌剂，如过氧化氢或过氧乙酸。
• 过滤：使用过滤器去除液体和气体中的微生物。

过程监测与控制

先进的过程监测和控制策略对于优化生物反应器性能和确保产品质量至关重要。这些策略涉及使用传感器、软件和控制算法来实时监测和调整关键过程参数。

需监测的关键参数：

• 温度
• pH
• 溶解氧（DO）
• 生物量浓度
• 营养物浓度
• 产物浓度
• 尾气分析（CO2, O2）

控制策略：

• 反馈控制：根据传感器的反馈调整过程参数。
• 前馈控制：根据系统预测的变化调整过程参数。
• 模型预测控制（MPC）：使用数学模型预测系统的未来行为并优化控制动作。

规模放大考量

将生物工艺从实验室规模放大到工业规模可能具有挑战性。在大规模生物反应器中保持与小规模生物反应器相似的条件非常重要。

规模放大策略：

• 几何相似性：在大规模生物反应器中保持与小规模生物反应器相同的比例。
• 恒定单位体积功率输入：在大规模生物反应器中保持与小规模生物反应器相同的单位体积功率输入。
• 恒定叶尖速度：在大规模生物反应器中保持与小规模生物反应器相同的叶轮叶尖速度。
• 计算流体动力学（CFD）：使用CFD模拟生物反应器中的流型并优化设计。

生物反应器设计的新兴趋势

生物反应器设计领域在不断发展，新的技术和方法正在被开发以提高生物工艺性能。一些新兴趋势包括：

连续生物工艺

连续生物工艺涉及连续向生物反应器中补料和移除产物。与分批处理相比，这可以带来更高的生产率和更低的成本。

工艺强化

工艺强化涉及开发更紧凑、更高效的生物工艺。这可以通过使用新型生物反应器设计（如微反应器和膜生物反应器）来实现。

生物反应器自动化

生物反应器自动化涉及使用机器人和其他自动化系统来控制和监测生物反应器。这可以提高可重复性并降低劳动力成本。

数据分析与机器学习

数据分析和机器学习正被用于分析生物反应器数据并优化过程性能。这可以带来更好的产品质量和更高的产量。

针对特定应用的生物反应器设计：全球案例

生物反应器设计并非“一刀切”的方法。特定的应用需要量身定制的设计。以下是一些展示全球创新的例子：

• 生物类似药生产（印度）：印度生物制药公司正大力投资于具有先进控制系统的大型不锈钢STRs，为全球市场生产价格实惠的生物类似药。其设计强调成本效益和对严格监管要求的遵守。
• 藻类生物燃料（澳大利亚）：澳大利亚的研究机构正在开创性地使用开放式池塘和封闭式光生物反应器进行藻类培养以生产生物燃料。设计重点是最大化阳光捕获、二氧化碳利用和脂质生产。
• 细胞培养肉（荷兰）：荷兰公司处于开发用于培养肉生产的生物反应器的前沿。这些生物反应器通常是基于灌流的系统，必须高效支持高密度哺乳动物细胞培养，同时最小化成本并确保产品安全。
• 抗生素生产（中国）：中国是抗生素的主要生产国。许多制造商在STRs中使用大规模发酵工艺来生产这些重要药物。这些生物反应器的优化重点是最大化抗生素效价和最小化副产物形成。
• 单克隆抗体生产（瑞士）：瑞士制药巨头是使用哺乳动物细胞培养生产单克隆抗体的领导者。他们的生物反应器通常是先进的、一次性的系统，具有复杂的控制系统和高度的自动化，以确保产品的一致性和质量。

结论

生物反应器设计是一个复杂且具有挑战性的领域，但它对于许多重要行业也至关重要，包括生物制药、食品饮料和生物燃料。通过理解生物反应器设计的基本原理并跟上最新趋势，工程师和科学家可以开发出更高效、可靠和具成本效益的生物反应器。

本指南对生物反应器设计的艺术进行了广泛的概述。对于那些希望更深入了解这一关键领域的人，建议进一步探索特定的生物反应器类型、控制策略和规模放大方法。