我国每年采用大量的摇瓶或不同规模的生物反应器进行生物技术产品的研究或生产，每年有相当数量的生物技术工程项目实施。但是，我国生物技术产品的核心生产装置——生物反应器的制造水平令人担忧：目前，生物反应器生产企业大都从事中低档产品生产，以仿制为主，着重于以降低生产成本为目的的零部件替换研究。由于这些企业缺乏生物技术研究实力，以及工艺、工程、装备一体化的研究体系，因而不能随着生物技术的迅猛发展，开展生物反应器的同步开发。目前，我国生物技术产品所需的、符合GMP要求的生物反应器仍主要由国外公司提供。因此，当前我国必须大力开发具有自主知识产权的、性能*的生物反应器，以推动生物技术产业的进一步发展。
多技术结合 提升生物反应器性能
具有*的生物过程优化和放大能力是生物反应器的核心性能。由于在生物反应器中所发生的反应是在分子水平的遗传特性、细胞水平的代谢调节和反应器工程水平的混和传递等多尺度（水平）上发生的。因此，如何利用生物反应器中的多参数检测技术和在线计算机控制与数据处理技术，把细胞在反应器中的各种表型数据与代谢调控有关的基因结构研究关联起来，是反应器过程优化与放大的重要内容，也是当前国内外竞相发展的、具有原创性的知识产权技术，其对促进生物技术产业的发展具有重要意义。
■性能要求新看点
目前，为了适应各种生物技术的实验室成果向产业化转化的需要，生物反应器的性能要求愈来愈高，主要体现在：
用于基因工程高密度高表达，符合GMP要求的生物反应器以及一些新技术的应用等。其中关于供氧问题，快速升温、在位自动灭菌、在线自动清洗、机械密封、排气处理、取样处理等问题，以及培养液成分的流动注射分析（FIA）等都有待研究。
哺乳动物细胞大规模培养是当前生产高附加值的糖基化活性蛋白医药产品的重要基础。根据哺乳动物细胞无细胞壁，对剪切高度敏感的特点，在细胞生长控制上，要防止细胞分化和细胞凋亡，有时还要考虑对产品糖基化质量的要求。所以，反应器要具备低剪切效应、混合性能好等特点，并具有细胞形态在线观察和活细胞数量传感技术，以及防污染的灌注系统、取样系统等。
用于细胞反应过程的生理特性和过程传递特性研究的生物反应器的开发。其中主要内容是用于过程分析的各种传感器选型、研制和数据处理软件包的研制。近年来，随着微生物基因组测序和系统生物学研究工作的深入展开，发酵过程检测与控测已经从基于参数传感技术的反馈控制发展为以信息处理为基础的生物过程检测与分析。将各种谱分析与生物反应器实验数据关联起来，提供各种表型数据具有重要意义，因而对反应器设计提出了新的要求。
■及时更新产品设计
生物反应器是涉及多种专业技术的装备。随着反应器零部件技术的进步，必须及时更新产品设计，为用户提供性能更高且价格合理的反应器产品。这些零部件技术包括计算机软硬件技术、各种传感技术、反应器流型设计、新机械结构和材料等。此外，随着信息处理技术的发展，应努力实现大批量数据处理、贮存与通信，把生物信息与过程信息结合起来，实现复杂生物系统的分析与控制。
■建立生产标准
建立生物反应器生产标准、实施IS09001管理是发展生物反应器产业的重要内容，只有这样才能提供符合用户要求及质量稳定的产品。
如研究确定生物反应器产品成套加工的工艺技术路线和质量控制措施。在生物反应器制造过程中，对材料、焊接、表面处理、零部件机加工、外购件、易耗品、安装流程、器材仓库管理等全过程都严格实施质量检验。同时，确立并实施原材料、半成品、成品标准。如有关传感器及一些（如空气过滤器、阀件、质量流量计等）关键部件的测试标准，整机性能测试标准，并建立和实施产品质量过程控制程序、整机性能测试标准等。
我国哺乳动物细胞生物反应器产业有待突破
由于细菌等原核细胞表达系统在转录及修饰方面存在缺陷，而基于许多有重要价值的蛋白质，特别是基因工程药物、疫苗、抗体等糖基化的需要，使哺乳动物细胞表达系统成了一个更合适的动物细胞培养工具。近年来，以哺乳动物细胞大规模培养技术为基础的生物制药产业在美国等西方国家得到了迅速发展，数十种产品已进入市场，取得了巨大的经济和社会效益。
虽然我国从“七五”至“八五”攻关期间已立题开展哺乳动物细胞生物反应器的研究。但由于哺乳动物细胞培养技术要求高，技术壁垒大，有关企业在未能掌握核心技术的情况下，单凭模拟很难取得实质性进展。另外，由于抗体等其他细胞表达产品装药量大，我国科研单位掌握的早期生物药开发技术很难应用到新型药物的生产工艺上，需要重新摸索。并且由于我国细胞株构建等上游配套技术的落后、反应器研制技术的差距，以及生化工程研究水平较低等，因而缺乏必要的基础去攻克高表达细胞株构建和大规模细胞培养技术，难以突破技术瓶颈。目前，我国哺乳动物细胞生物反应器产业仍近乎空白。
由于哺乳动物细胞无细胞壁，对营养要求严格，因此细胞是否附着于固体或半固体表面生长（贴壁培养）、培养基中血清的使用、抑制因子的积聚度、渗透压等问题一直是哺乳动物细胞大规模培养的关键技术环节。此外，哺乳动物细胞对pH值、溶氧、温度、剪切应力、抗污染等环境因子具有高敏感性，实现哺乳动物细胞生物反应器的大型化、自动化和精巧化有较大难度。
从当前发展趋势来看，悬浮细胞、无血清培养是实现哺乳动物细胞规模化培养的发展方向。悬浮细胞、无血清培养对于提高规模化动物细胞培养的单位产量，实现细胞的高密度培养、高密度表达，简化生产工艺、降低生产成本、保证大规模生产的产品质量等方面，都起到非常重要的作用，是世界各大生物公司竞相开发的前沿课题。美国FDA已要求各生物公司建立此类规模化生产技术平台。
国外用于生产的哺乳动物细胞生物反应器趋于大型化（zui大到吨级规模），具有多参数与高度自动化的计算机控制系统，以及适应哺乳动物细胞对大型反应器环境因子高敏感性的精巧设计。从反应器类型来看，早期的动物细胞反应器较多采用贴壁培养，其中微载体的使用可使贴壁细胞的培养像悬浮培养那样进行。但近年来，血液、淋巴组织、许多肿瘤细胞（包括杂交瘤），以及其他转化细胞系都采用悬浮培养反应器，并形成各种类型。其中，推广较多的有美国NBS公司的填充床生物反应器，但其大多在实验室规模应用。一些适合于生产规模的更新类型的悬浮培养反应器正在开发中，如瑞典的BIO公司和德国的B.Braun公司都致力于此类产品的研发。
近年来，细胞代谢流的分布、基因水平和细胞水平的代谢调控研究有了大量报道。从代谢流角度来看，动物细胞对营养的严格要求都与胞内代谢有关，不同途径消耗的各种营养物的比例实质上是细胞代谢状态迁移的结果。因此，以过程代谢物质流检测为目标，研究动物细胞生物反应器的多参数传感技术，通过计算机的数据采集系统，进行过程参数相关的优化，有可能取得过程优化技术的重大突破。
总之，由于我国商品化的大规模哺乳动物细胞反应器产品还处于空白，因此必需迅速组织力量予以发展。首先，可以从动物细胞反应器的关键部件和材料研制出发，加强装备制造工艺研究。然后，结合动物细胞反应过程的工艺特性，实现装备设计与工艺要求的统一。此外，在研制过程中要注意及时吸收的技术，如计算机软硬件技术、新材料技术和生物技术等，形成具有自主知识产权的装备。
企业急需生物反应中试系统
目前，为了对已经通过前期研究的产品进行过程优化研究，在中试规模上达到高生产水平或质量，并为车间生产提供工艺放大依据和设备设计依据，必要时还可进行小批量生产，提供试验样品，或供市场销售的部分产品，许多发酵产品生产企业迫切需要建立多功能的中试发酵车间。
考虑到中试系统的通用性以及为生产设备的设计提供数据的需要，中试系统的一些关键设计环节，如搅拌功率及搅拌桨形式、发酵热及传热装置、通气流量等必须有足够的调节余量或多种选择。此外，参数检测系统必须配置较完整的传感（约14个参数以上）与数据处理系统。发酵罐结构与制造技术（如罐体材料、焊接、抛光、夹套结构与制造、搅拌装置制造技术等）应*，以为今后的发酵过程优化与放大设计提供重要的工程设计数据。
在中试系统中，一个重要的设计环节是生物反应器群控技术的过程控制与数据处理。这不是通常意义的下位计算机所能实现的。因此，如何根据不同情况选用计算机系统就成为一个重要问题。
近年来，随着计算机技术的发展，在生物反应器系统中可以选用单片计算机、PLC、工业控制计算机、现场总线计算机控制系统和DCS系统等。其中，现场总线系统与大容量计算机相结合可以很好地适应发酵中试系统的控制与数据处理要求。
此外，还可以将智能嵌入式计算机系统的智能模块技术、高性能网络通信技术、信息处理技术、综合自动化控制技术与生物反应控制系统有机结合，使每个罐被一个现场总线模块独立控制，各个罐相互独立，用分散的虚拟控制站取代集中的控制站，以增加系统的可靠性。同时，多个罐的控制回路可用以太网连到一个IPC组成的操作站，组成小型的局域网，并采用常规控制系统软件包对所有发酵罐进行控制，达到高安全性和连续操作。同时，以上位计算机作为数据通讯的集中显示系统，使系统具有贮存量大、数据处理方便和人机界面直观的特点。
带pH值测量与补料控制的摇床“问世”
摇床是用于菌种筛选、种子扩大培养等的一种设备。传统的摇床设备往往不能实时检测培养过程中的有关参数以及进行补料控制，因此，长期以来一直以摇床的放瓶结果作为实验数据。当这些数据被用来作为诸如菌种生理特性变化、培养基成分的作用，以及温度、pH值等环境条件变化等研究的依据时,实际上得到的是缺乏过程研究的静态分析结果。这种摇床的局限性是很显然的，例如进行菌种选育时，传统摇瓶筛选方法往往缺乏补料或供氧不足，并不一定处于代谢流分配zui合理的状态，由此可能出现严重的高产菌株漏筛现象。因此，国内外有关公司己着手开发带pH值测量系统的摇床，并形成产品。
我国也开发出带pH值测量、补料控制的新型摇床。该装置可以观察到过程pH值与其他参数变化（如菌体生长、菌耗氧率、CO2释放率、呼吸熵、各种补料操作等）。这种不同发酵时间的相关性变化可以反映菌体生理状态的变化，对发酵过程优化与放大研究具有极重要的意义。与过去把发酵pH值作为*条件的概念不同，使用者可以通过该装置的pH值检测功能，根据发酵过程参数观察到菌体生理特性的变化。另外，该装置的微量补料技术，可实现各种碳氮源的流加、pH值控制、微量元素控制等。
带pH值测量与补料控制的摇床不仅是一个简易型生物反应器，还特别适合于各种微生物和基因工程菌的菌种筛选和培养的早期大批量工作。其高通量筛选能力明显优于常规的摇床和生物反应器。该装备制造的难点是研制稳定的pH值测量装置和精细的补料系统。由于耐高压灭菌锅的高温灭菌以及摇床振荡时的高阻抗输入特性，因此，摇床的pH值电极装置及导线仪表系统必需经过精细设计；补料系统必须微量、有效，并可由人工进行任意程序的设定。
多尺度控制的生物反应器“出炉”
长期以来，发酵过程的优化与放大是采用以经典动力学为基础、以*工艺控制点为依据的静态操作方法。实质上这只是化学工程宏观动力学概念在发酵工程上的延伸。例如，生产者在用氨水调节pH值时，关心的是*pH值，却不注意氨水加量的动态变化及其与其他参数的关系；在溶解氧浓度（DO）测量与控制时，关心的是*DO值或临界值，却不注意细胞代谢时的耗氧率。新的研究表明，以活细胞为主体的细胞大规模培养的生物反应过程可以分为基因分子尺度、细胞尺度与生物反应器尺度，是不同尺度的网络状态的输入输出关系，存在着信息流、物质流与能量流。因此，发酵过程的优化不能只是从单一尺度（基因、细胞、生物反应器）上加以解决，而要注意它们之间的关系，其中跨尺度观察与控制是微生物过程优化的关键。在这一思路的基础上，目前我国已形成了一套参数相关的发酵过程多水平的优化技术和发酵过程多参数调整的放大技术，以及以代谢流分析为核心的新型发酵装置。
据了解，这一由国家生化工程技术研究中心（上海）设计，由上海国强生化工程装备有限公司组织生产的用于生物过程多尺度研究的新型发酵装置，具有在线参数检测与控制功能。科研人员还开发出一个适应多种反应器特点，融合多种过程理论和控制理论，便于发酵过程工艺分析和优化操作的软件包。该装置已先后在青霉素、红霉素、饲料金霉素、链霉素、黄霉素、泰乐霉素、棒酸、鸟苷、肌苷、基因工程白蛋白、基因工程疟疾疫苗、基因工程植酸酶、胰岛素原（PIP）、基因工程必特螺旋霉素等产品的生产中取得了大幅提高发酵单位的效果，其优化结果一般可由几十升发酵罐直接放大到上百立方米的工业生产发酵罐。 “大型化”趋势形成放大技术需跟上
几十年来，随着发酵工业的快速发展，发酵工程设备趋向大型、和自动化。传统生物技术产品，如一些氨基酸、抗生素及发酵轻化工产品的发酵设备都在几十升到几百立方米以上。一些原来采用小规模发酵罐的老厂搬迁至新厂区，发酵罐的规模也普遍放大。另外，近年来随着基因工程酶生产技术的发展，如基因工程植酸酶的研究成功，又由于饲料添加剂的需求量大，研制用于基因工程产品高密度高表达的大型生物反应器已势在必行。、节能的大型发酵装置的应用也是降低生产成本的关键。目前，美国、巴西等国家的发酵装置已达2000立方米以上。
大型装置的利用也带来新的技术问题。目前国内发酵过程工业放大主要是根据经验放大，体现在使单位体积功率相等、单位体积通气比相同或选用相同的搅拌桨形式等，然而实际情况很难把握。后来又引进了化学工程的冷态试验方法，对罐内流型进行充分研究，zui后根据其混和传递特点，进行大型生物反应器设计。但是，实际情况有时偏差也很大。
发酵过程放大困难的原因就在于放大时不可能同时做到几何相似、流体运动学相似和流体动力学相似。在小试研究中，当某一个对生产产生影响的重要因素没有被观察到，而这个因素恰恰在放大时成为关键因子时，就会造成整个发酵过程的失败。为此，在发酵过程放大研究时，要在以代谢流分析与控制为核心的发酵实验装置上进行研究，由此可在放大的设备上得到*相同的反映代谢流等生理数据的变化曲线。
但是，以上工作还只是生理代谢参数相似的放大原则，并不足以确定大型发酵罐的几何结构和动力结构等设计参数。因此，将放大规模的状态参数转化为操作或设计参数还需要一个研究过程。例如需要开展根据菌耗氧率、KLa以及所选用的搅拌桨特性测算不同发酵罐规模所需的搅拌功率研究；根据菌耗氧率与菌体细胞剪切适应量选择不同规模发酵罐的搅拌器形式、转速或其他结构的研究；搅拌器的混和与剪切特性的冷态研究，计算流体力学的应用研究；大型发酵罐高功率搅拌器的加工与动平衡研究，以及传动装置技术和整体罐结构设计研究；根据耗氧率进行发热量估计及传热面积的研究；不同传热结构（夹套、蛇管、半圆管和激光焊接膨胀型蜂窝夹套）的传热效果、强度、无菌性能研究；放大效应的计算机控制补偿的设计研究，以及具有补偿控制能力的计算机数据采集与控制系统研究；还有上述研究的数据库建立与推广应用。因此，如何在放大的罐体上实现相同代谢流参数的效果，需要生物学、化学工程、机械制造、传感技术、计算机控制技术的综合利用。
来源：中国医药报
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