食品生物技术：生物反应器选择和特点

2025-09-30 理论教育版权反馈

【摘要】：各生物反应器的特点见表3-6。国内也有人设计制造了10L规模的气升式生物反应器用于培养哺乳动物细胞和昆虫细胞等。（三）中空纤维管生物反应器中空纤维管生物反应器是开发较早且正在不断改进的一类生物反应器。由于可模拟空间中的微重力环境，该生物反应器被誉为空间生物反应器。

在生物制品生产中，动物细胞培养日益重要，而动物细胞培养的最主要设备就是生物反应器（也称动物细胞发生器）.由于动物细胞（尤其是哺乳动物细胞）在促红细胞生成素（Erythropoietin, EPO）、干扰素（Interferon, IFN）、尿激酶原（Pro-Urokinase, Pro-UK）、疫苗以及其他一些价值昂贵的生物制品的生产上具有独特的优势，因此近年来有关动物细胞生物反应器的研制进展迅速.目前国内外生物反应器的种类较多，应用于生产实际的也不少，概括下来主要有机械搅拌式生物反应器、气升式生物反应器、中空纤维管生物反应器等。各生物反应器的特点见表3-6。

表3-6　各生物反应器特点

续表

（一）机械搅拌式生物反应器

机械搅拌式生物反应器是开发较早、应用较广的一类生物反应器，主要由培养罐、管、阀、泵、马达及仪表组成。培养物的混匀由马达带动的不锈钢搅拌系统实现，在罐体顶端还有一些传感器，可以连接监测培养物的温度、pH、溶氧度浓度（Dissolved oxygen, DO）、葡萄糖消耗、NH3、等参数.这种反应器培养规模可达2000L，若再配合微载体、多孔微球、灌注技术，可使细胞密度达到107/mL以上，而且消毒方便。现在，全球10000L及以上体积的反应器达100多台，最大的为25000L，这些反应器几乎都是机械搅拌式反应器，主要为Genetech、Amgen、Boehringer Ingelheim和Lonza等制药公司所拥有。

（二）气升式生物反应器

气升式生物反应器的基本原理是气体混合物从底部的喷射管进入反应器的中央导流管，使得中央导流管侧的液体密度低于外部区域从而形成循环。它在结构上和搅拌式大同小异，显著特点是用气流代替不锈钢叶片进行搅拌，因而产生的剪切力相对温和，对细胞损伤较小。英国Celltech公司是应用气升式生物反应器进行动物细胞大规模培养的成功范例，该公司在2025年应用100L气升式生物反应器对杂交瘤细胞进行了大规模培养，现在还开发出了10000L气升式生物反应器用于各类单克隆抗体的规模化生产。国内也有人设计制造了10L规模的气升式生物反应器用于培养哺乳动物细胞和昆虫细胞等。(https://www.chuimin.cn)

（三）中空纤维管生物反应器

中空纤维管生物反应器是开发较早且正在不断改进的一类生物反应器。其原理为泵动培养液通过成束的合成空心纤维管（毛细管）而使细胞固着在毛细管内壁上生长。如果毛细管的直径为350μm，表面积/体积比为30：7，因此大量成束的毛细管内壁提供了大量的细胞生长表面积。中空纤维管生物反应器的用途较广，既可培养悬浮生长的细胞，又可培养贴壁依赖性细胞，并且细胞密度最高可达109个/mL，主要用于培养杂交瘤细胞生产单克隆抗体。

（四）旋转式细胞培养系统

20世纪90年代中期，美国宇航局（National aeronantics and space administration, NASA）开发了一系列旋转式细胞培养系统（The rotary cell culture system, RCCS），又叫回转式生物反应器（Rotating Wall Vessel Bioreactor, RWVB），这是目前世界上培养贴壁和悬浮细胞的最新装置。该系统原先是为保护在宇航中所进行的纤细的组织培养而设计的。然而，它的低剪切力、高物质传递效率和微重力的独特环境，使人们在普通实验室的组织培养箱内也能培养出三维细胞组织。RCCS是绕水平轴旋转、无气泡的膜扩散式气体交换的培养系统。因该系统无推进器、空气升液器、气泡或搅拌器，故几乎没有破坏性的剪切力，使得大细胞团得以形成。与普通系统相比，RCCS的一个主要优势是进行能分化或模仿父系组织结构和功能的组织培养。使人们能得到和在人体内一样的培养产物。由于可模拟空间中的微重力环境，该生物反应器被誉为空间生物反应器。其模拟空间环境的原理是它可使培养物的重力向量在旋转过程中产生随机化，导致一定程度的重力降低，使细胞处于一种模拟自由落体状态，以此模拟微重力环境。RCCS由于没有搅拌剪切力的影响，细胞可以在相对温和的环境中进行三维生长，同时随机化的重力向量可能直接影响细胞的基因表达，或者间接促进细胞的增殖分化和组织器官形成，因而这种生物反应器可用于当前十分热门的组织工程研究，也可用于探索微重力环境对细胞生长、分化的影响。

（五）其他生物反应器

近年来在组织与细胞工程领域用到的还有流化床生物反应器（Fluidized bioreactor）、Petri碟生物反应器（Petri bioreactor）、脉动式生物反应器（Pulsatile bioreactor）、摇床式生物反应器（Shaking bioreactor）、填充床生物反应器（Packed bed bioreactor）等，由于这些生物反应器应用不普遍，故不作详述。

食品生物技术：生物反应器选择和特点

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