生物反應(yīng)器是指任何提供生物活性環(huán)境的制造或工程設(shè)備，利用酶或生物體所具有的生物功能，在體外進行生化反應(yīng)的裝置系統(tǒng)，它是一種生物功能模擬機，如發(fā)酵罐、固定化酶或固定化細胞反應(yīng)器等。
動物細胞培養(yǎng)技術(shù)能否大規(guī)模工業(yè)化、商業(yè)化，關(guān)鍵在于能否設(shè)計出合適的生物反應(yīng)器。由于動物細胞與微生物細胞有很大差異，傳統(tǒng)的微生物反應(yīng)器顯然不適用于動物細胞的大規(guī)模培養(yǎng)。首先必須滿足在低剪切力及良好的混合狀態(tài)下，能夠提供充足的氧以供細胞生長及細胞進行產(chǎn)物的合成。
那么實驗室中常用的生物反應(yīng)器類型有哪些呢?根據(jù)反應(yīng)器材質(zhì)可將其分為一次性反應(yīng)器和玻璃罐體反應(yīng)器、不銹鋼反應(yīng)器材質(zhì)這類多次重復(fù)使用反應(yīng)器。

搖床、搖桿和攪拌罐型生物反應(yīng)器，每種技術(shù)都可以使用一次性或可重復(fù)使用的生物反應(yīng)器，主要區(qū)別在于它們對培養(yǎng)物充氣和混合的方法，將生物反應(yīng)器環(huán)境中將氧氣轉(zhuǎn)移到正在生長的細胞中。

攪拌式生物反應(yīng)器

醫(yī)藥工業(yè)中大規(guī)模的微生物發(fā)酵過程 — 生產(chǎn)是在機械攪拌式生物反應(yīng)器中進行的。且迄今為止，對新的生物過程，的生物反應(yīng)器仍然是機械攪拌式反應(yīng)器。機械攪拌式反應(yīng)器能適用于大多數(shù)生物過程，是形成標準化的通用產(chǎn)品。機械攪拌式反應(yīng)器大多數(shù)用于間歇反應(yīng)。

生物反應(yīng)器可以是一次性的或不銹鋼的，一次性反應(yīng)器的容量大約 15 毫升到 2000 升不等，可重復(fù)使用的生物反應(yīng)器可能高達 50,000 升。

攪拌操作過程是化工、石油化工、醫(yī)藥、食品工業(yè)中常見的操作之一。其目的是使兩種或兩種以上的介質(zhì)能達到直接接觸，從而在預(yù)定的時間內(nèi)完成所需要的混合、傳質(zhì)、傳熱或反應(yīng)過程。攪拌的過程基本作用是混合，無論是攪拌機理，還是具體的攪拌器結(jié)構(gòu)設(shè)計和攪拌功率計算都與參與攪拌過程的介質(zhì)性質(zhì)有密切的關(guān)系。因此，工程設(shè)計中，攪拌類型可基本分為均相液液調(diào)和、非均相液液分散、氣液分散和混合以及固液懸浮攪拌四大類。

優(yōu)點

攪拌式生物反應(yīng)器通常用于研發(fā)到制造規(guī)模的生物過程。這些已知的混合原理使得攪拌式生物反應(yīng)器中的氣體傳輸非常有效。它們在各種操作條件下非常靈活，它們可用于在低剪切力下培養(yǎng)敏感的哺乳動物細胞或培養(yǎng)某些需要溫度和高壓的真菌。

缺點

1.攪拌式生物反應(yīng)器用于動物細胞培養(yǎng)存在的缺點是剪切力大，容易損傷細胞，雖然經(jīng)過各種改進，這個問題仍很難避免。

2.雖然噴射允許通過更大體積的氧輸入，但它不如通過頂部空間的氧氣傳輸效率高。

3.葉輪容易將泡沫引入生物反應(yīng)器，必須消泡處理。

4.不銹鋼生物反應(yīng)器中的葉輪和噴霧器必須清潔以防污染。

波浪式生物反應(yīng)器

波浪式生物反應(yīng)器也相當普遍。它們通常是大型塑料一次性袋子，平放在輕輕搖擺的平臺上（<100 rpm）。這些生物反應(yīng)器通過頂部空間將氧氣輸送到細胞培養(yǎng)物中，并使用搖桿平臺混合。

波浪式生物反應(yīng)器常用于實驗室。由于它們雖占地面積大但效率高，它們可用于小批量生產(chǎn)或輔助大型的攪拌式生物反應(yīng)器。

優(yōu)點

大型扁平二維波浪式生物反應(yīng)器可實現(xiàn)高效的氧氣傳輸，比攪拌罐生物反應(yīng)器更溫和，因為它們無需葉輪即可對培養(yǎng)物進行充分充氣。最后，由于波浪式生物反應(yīng)器不使用噴射器或葉輪，并且通常是一次性使用，因此它們易于清潔并且?guī)缀鯖]有交叉污染的風險。

缺點

大型、扁平的波浪式生物反應(yīng)器范圍通常只有5到100L，其大小受通過頂部空間的氧氣傳輸速率的限制。

搖床生物反應(yīng)器

搖床（又稱振蕩器），是一種在化學和生物實驗室中常用的用于攪拌溶液的裝置。一個典型的搖床有一個可以由電動機驅(qū)動的水平振動面板。待攪拌的液體裝在燒杯、廣口瓶或錐形瓶中，然后將容器放置在面板上。有些情況中，溶液可以裝在離心管中，然后放在托架上，再使用搖床進行攪拌。

優(yōu)點

搖床屬于生化儀器，廣泛用于對溫度和振蕩頻率有較高要求的細菌培養(yǎng)、發(fā)酵、雜交、生物化學反應(yīng)以及酶和組織研究等。實驗室常用的液體搖勻，微生物、細菌和細胞培養(yǎng)。

旋轉(zhuǎn)運動將細胞培養(yǎng)液向上移動到生物反應(yīng)器的側(cè)面，導致非常薄的流體層粘附在容器的側(cè)面。這可以實現(xiàn)極大化的氧氣傳輸，而無需占用大量空間。傳質(zhì)依賴于通過頂部空間的氣流。

這種混合方法可以減輕剪切力，使其非常適合哺乳動物細胞培養(yǎng)。

缺點

1.難以記錄設(shè)備運行中各時點參數(shù)生產(chǎn)，實驗過程難以追溯。

2.需要反復(fù)，步移或階梯振蕩培養(yǎng)的實驗活動，由于傳統(tǒng)搖床的局限，很多富有創(chuàng)造性的技術(shù)線性只能忍痛割愛。

3.無法長時間進行低溫培養(yǎng)運行，設(shè)備或積霜或化霜。

4.制冷狀態(tài)手動設(shè)置，一旦環(huán)境溫度變化，工作室溫度迅即大幅偏移并進入超溫報警狀態(tài)。

我應(yīng)該使用什么類型的生物反應(yīng)器？

事實證明，攪拌式生物反應(yīng)器有較大的操作范圍,混合程度高，適應(yīng)性廣，在大規(guī)模生產(chǎn)中廣泛使用，但不適用動物細胞培育。而波浪式生物反應(yīng)器是的能提供良好混合和通氣效果，污染風險低、操作靈活，但在擴大規(guī)模期間，占地面積是個很大問題。搖床生物反應(yīng)器是一種較新的技術(shù)，但具有高效率和高產(chǎn)量潛力。

不管何種技術(shù)的生物反應(yīng)過程中所需氣體或液體的快速又精準調(diào)控，才能生物物質(zhì)平穩(wěn)在適當?shù)沫h(huán)境條件下生長。

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