引言
生物反应器的定义为：“用于开展任何类型生物工艺的装置，例如发酵罐或酶反应器”。生物反应器是为细胞或其组分提供适宜环境、使其将底物转化为产物的系统。
这类设备是工业生物工艺的基础，因为它们能够精确调控温度、pH、氧气和营养物供给等关键因素。这种精细控制有助于优化细胞生长、提高生产效率，并确保产品质量稳定一致。
生物反应器可生产的产品涵盖从发酵食品和饮料（奶酪、啤酒）到高附加值产品（疫苗、抗生素、生物燃料）。生物反应器在废水处理和生物修复等工程过程中也发挥着重要作用。
生物反应器的历史
生物反应器如今已成为生物技术工艺的核心。然而，生物反应器伴随人类已有约 1 万年之久。用于发酵的容器最早的科学证据可追溯至约公元前 7000 年的中国。那是一只陶罐，对陶土中残留有机物的分析表明，其中曾盛有果汁、大米和蜂蜜的发酵产物。
古代生物反应器的演进与食品发酵的发展密切相关，包括伊朗最早的葡萄酒证据（公元前 5500 年）、埃及最早的发酵面包（公元前 3000 年）以及伊朗的腌黄瓜（公元前 2000 年）。
1928 年 Alexander Fleming 发现抗生素，彻底改变了现代生物反应器。尽管使用抗生素的最早证据可追溯至公元前 500 年的中国（发霉的豆腐），但人们花了 2000 多年才认识到，正是青霉素防止了伤口感染。在 Fleming 的发现之后，青霉素的生产耗时耗力，只能使用手头现有的各种容器。
青霉素生产的放大需要设计复杂的生物反应器系统，以优化Penicillium rubens的培养。在这一偶然发现前后，Chaim Weizmann、Ernst Stauch 和 Herbert Schmidt 等科学家对生物反应器设计作出了重要贡献。Weizmann 设计了首批用于生产丙酮的生物反应器，Stach 和 Schmidt 则开发了可向反应器中通入水和蒸汽的管路，从而实现无菌条件。到 1945 年，首批大规模生物反应器（20 L）制造完成，青霉素的需求（7 万亿单位）首次得到满足。
如今，生物反应器在各类科学和工业应用中发挥着基础性作用。
H.E.L 的 BioXplorer
从研发到生产规模的放大与缩小工艺，是生物技术工艺的基石。
在研发阶段，了解生物工艺所用生物体保持活性的参数范围至关重要。能够独立运行多个生物反应器，可加快参数优化。小体积反应器可缩短培养时间并降低成本，再结合高通量微型反应器，可缩短项目周期。使用较大体积的反应器（最高 5 L）则有助于更好地了解工艺在更大规模下的表现，使工艺开发和中试更加可靠、准确。
BioXplorer 融合尖端技术与先进自动化，在效率、可扩展性和重现性方面具有显著优势。研究人员可借此加速工作流程、优化产率并减少人工干预，从而提高生产效率、缩短产品上市时间。BioXplorer 是推进生物工艺的稳健可靠的合作伙伴，助力科学家充分释放生物技术的潜力，推动从制药到生物燃料等各行业的创新。
参数优化
哪些参数会影响生物工艺的研发？
生物反应器是专为生物过程提供最佳条件的专用容器，可对关键参数进行精细调节。最佳参数的筛选在生物工艺中至关重要，因为它直接影响生物系统的性能和生产效率。生物反应器提供受控环境，可精确调控温度、pH、供氧、营养物供给和搅拌等关键参数，在这一优化过程中发挥着关键作用。通过优化这些参数，研究人员可以促进细胞生长、代谢和产物形成，从而提高产率、改善质量，并实现生物工艺的高效放大。培养条件不仅会直接影响培养物的形态和生理特性，还会改变所产生的次级代谢产物。生物反应器是参数优化的宝贵工具，帮助各行业的研究人员实现最佳条件并获得可靠结果。
温度
温度直接影响生物体的生长和代谢活性，进而影响细胞的产物形成，无论产物是代谢物还是生物量。因此，温度优化至关重要。
温度对细胞生长动力学有重要影响，其最佳值因生物体而异。偏离最佳值会导致生长速率下降、延滞期延长乃至细胞死亡。将温度精确调节并维持在适宜范围内，可促进细胞快速高效地生长，从而获得更高的生物量。
温度会影响化学和生化反应，进而影响酶活性和代谢途径。酶存在最适温度，此时活性最高。精细调节温度有助于确保条件始终处于理想范围内，提高酶活性，促进生物反应器内目标生化反应的进行。
蛋白质及其他生物分子的结构稳定性和功能高度依赖于温度。温度变化可能导致蛋白质变性和活性丧失。对温度进行精细控制，可确保生物大分子的结构完整性和功能，使其在生物工艺中发挥最大效能。
总之，生物工艺中的温度优化对于促进细胞最佳生长、提高酶活性和维持蛋白质稳定性至关重要。通过在生物反应器内仔细控制和调节温度，研究人员可以营造最有利于目标生化反应的环境，从而提高生产效率、产率和整体工艺性能。
pH
培养基的酸碱度对生物工艺优化影响很大，精确控制这一参数对细胞生长、代谢和产物形成至关重要。
酶活性及代谢途径高度依赖 pH。酶具有特定的最适 pH，此时活性最高。偏离该值会降低酶效率，进而削弱代谢活性。将 pH 精确调节并维持在最佳范围内，可提高酶活性，从而获得目标产物。
生物分子的结构和稳定性受 pH 影响很大，因为 pH 影响电荷分布，而电荷分布决定蛋白质和核酸的构象。优化 pH 可确保上述结构保持稳定。
与酶类似，细胞也只在较窄的 pH 范围内生长最佳。该范围因生物体而异，pH 变化会改变膜通透性、营养物摄取和代谢废物排泄，从而不利于细胞生长。
有机化合物在不同 pH 下的溶解度和存在形态各不相同，从而影响其生物可利用度，进而影响细胞摄取。
总之，生物工艺中的 pH 优化对于最大限度提高酶活性、保持生物分子稳定、促进细胞生长以及优化底物可利用性至关重要。通过将 pH 仔细调节并维持在适当范围内，研究人员可以营造有利于目标生化反应的环境，提高生物反应器的生产效率、产率和整体工艺性能。
供氧
无论对于好氧（依赖氧气）还是厌氧（不依赖氧气）生物，氧浓度都是生物工艺优化中的关键参数。氧的体积传质系数（KLa）决定了培养基中的氧浓度。该系数反映了氧从气相转移到液相的效率。对于好氧生物，氧用于细胞呼吸和能量生成，因此确保充足供氧至关重要。另一方面，氧对许多厌氧生物有害，会导致过程变慢甚至细胞死亡。在某些工艺中，生成目标生物分子的代谢途径受氧气存在与否的严格调控（例如兼性发酵），因此精细控制氧水平至关重要。
在某些情况下，氧含量过高或长时间暴露于氧气中会引起氧化应激，导致生物分子和细胞受到氧化损伤。在满足需氧量与避免氧化效应之间取得平衡，有助于确保细胞发挥最佳性能。
此外，供氧还会影响生物反应器内的传质速率，进而影响其他溶解气体和营养物的可利用性以及废物的清除。优化搅拌速度、通气速率或鼓泡方式等供氧参数，可提高传质效率，减小浓度梯度，确保细胞最佳生长和产物形成。
优化生物工艺中的供氧，对于促进有氧代谢、支持细胞生长和活力以及促进目标产物合成至关重要。
搅拌与混合
搅拌与混合是生物工艺优化中的关键参数，可确保高效的质量和能量传递，以及营养物和气体的均匀分布。搅拌与混合取决于搅拌系统的设计和配置，例如叶轮设计、转速以及是否设置挡板。这些因素影响生物反应器内的混合速率和混合模式。仔细选择并优化搅拌方式，有助于达到所需的混合水平，避免形成死区或产生过大的剪切力。
有效混合可确保所有细胞均等地获取营养物，促进均匀生长，防止局部营养耗竭。对于好氧过程，充分的氧分布至关重要，可防止出现厌氧状态，否则将导致细胞功能欠佳并最终死亡。
适当的混合可防止浓度梯度——包括营养物可利用性、pH、溶解气体或废物积累等方面的梯度。这些梯度可能不利于细胞生长、代谢和产物形成。通过产生湍流、促进流体流动，可改善细胞与周围培养基的接触，从而更好地摄取营养物。
搅拌过程对反应器内的温度影响很大。混合有助于分散来自外部热源（如加热夹套）的热量以及代谢过程产生的热量。局部热量积聚会使细胞产生应激，影响生长和代谢过程。
营养物供给
培养基组成和营养物供给是优化生物工艺的关键要素，可确保提供细胞生长、代谢和生产所需的全部必需物质。培养基优化涉及碳源、氮源以及大量和微量营养素。生物反应器可采用分批、补料分批或连续进料等不同操作模式。所选策略将影响产物形成和生长速率。优化补料策略可在整个生物工艺中确保营养物持续、均衡地供给，维持有利的生长条件，并最大限度提高生产效率。
可加装测量探头，实现实时过程监测与控制，确保最佳营养物供给。反馈控制系统用于将营养物浓度维持在所需范围内，确保营养物供给稳定，促进细胞最佳生长和产物形成。
总之，生物工艺中的营养物供给优化涵盖多方面因素，包括碳源和氮源的选择及浓度、大量和微量营养素的提供、培养基组成、补料策略、过程监测与控制以及废物管理。通过综合考虑这些方面，研究人员可以营造支持细胞最佳生长、代谢和生产的环境，在生物反应器中成功实施生物工艺。
解决方案
BioXplorer 是 H.E.L 的旗舰产品之一，在生物工艺优化方面功能强大。其可定制性允许用户根据具体需求选择探头，带来无与伦比的灵活性和精度。BioXplorer 与 H.E.L WinISO 集成，可对生物工艺条件进行严格控制，确保工作流程优化、可靠。
在专项测量方面，我们提供 H.E.L 的辅助工具，例如 BioVIS 或 Tandem 尾气分析仪，可与 BioXplorer 无缝集成。所有这些都体现了 H.E.L 致力于打造超越行业期望的解决方案。
筛选
哪些过程可以利用生物反应器进行筛选？
肠道微生物组及其响应
微生物组可定义为栖居于特定生态系统中的全部微生物的集合。以人类为例，人体由数万亿个细胞构成，人体细胞与微生物细胞的数量之比约为 1:1。与人类共生的微生物大多存在于胃肠道系统中。许多健康益处和疾病都可追溯到肠道微生物组，其参与的过程十分广泛，从消化系统疾病到神经系统疾病不一而足。
近年来，了解这一微生物生态系统已被视为优先事项，并由此成立了人类微生物组计划（Human Microbiome Project）和 INFOGEST 等网络。这类机构旨在推动该领域的研究，并统一所用技术，使不同研究的结果具有可比性。表征微生物群落及其响应并非易事。从培养研究到当今的宏基因组学方法，近年来相关知识不断积累。关于何为健康、“正常”的肠道微生物组，以及这种正常状态的变化及其潜在后果，已有大量研究发表。
然而，生物反应器可以成为了解肠道微生物组如何响应不同因素的强大工具。INFOGEST 在其建议中提出了一系列不同的模拟消化液（如模拟唾液、胃液和肠液）。生物反应器的严格控制和自动化可实现内容物的充分混合。借助管路，可分阶段输送模拟消化液，模拟消化过程。此外，平行系统中反应器之间的互连可用于泵送模拟食团，再现其在胃肠道各腔室之间的转移。此类方法有助于了解食物如何随时间被消化，或微生物组如何对不同饮食作出响应。
合成气发酵
合成气是一种混合气体，主要成分为一氧化碳（CO）和氢气（H2），另含少量其他气体，如 CO2、甲烷和氢气，由含碳燃料和生物质气化产生。它可作为化石燃料的清洁替代品，用于生产高附加值产品和生物燃料。
从合成气到最终产物的转化过程通常由微生物完成。自养生物能够利用 CO2、CH4 或 CO 等无机碳合成自身的有机物。光合作用（以光为能量来源）是最广为人知的自养类型，而化能无机自养（利用无机化学反应产生过程所需的能量）则提供了一种极具吸引力的替代途径，可应用于合成气发酵。还原态分子（如合成气中所含的 H2，以及硫、氮或铁）的氧化可为固定无机碳的细胞提供能量。
然而，气体发酵（尤其是合成气发酵）的主要局限在于气相溶解度有限，限制了其生物可利用性，进而降低了工艺生产效率。提高溶解度的最佳方法之一是提高容器内的压力。生物反应器（尤其是金属材质的反应器）可以加压运行，有助于克服这一局限。某些气体（如 H2）还具有潜在的易燃/易爆特性，这是另一个需要关注的问题。若某些微生物的基础代谢需要氧气，这一问题会更加突出。实时测量有助于监测生物反应中各种反应物的浓度。采用氮气吹扫和反馈回路等严格控制措施，可确保生物反应器内的条件始终远离不安全值。
如何优化培养基补料？
不同菌株对碳源、氮源、维生素以及大量和微量营养素的需求各不相同。此外，不同的补料策略也会影响培养物的生长和效率。
分批培养
该方式将营养物一次性加入生物反应器，为筛选过程提供受控且明确的营养环境。
补料分批培养
这种方式在整个培养过程中连续或间歇地添加补料。补料分批培养能更好地控制营养物的可利用性。调节补料速率、营养物和组成，可显著改善生长、生产效率和产品质量。
连续培养
该方式在整个过程中以恒定速率向生物反应体系连续添加营养物料，使营养物可利用性和生长速率保持受控，从而提升产物表现。
如何利用生物反应器比较不同工艺？
为改进生物工艺，必须在不同条件、变体和策略下开展平行实验，以找到细胞生长、生产效率和/或产品质量的最佳条件。同时运行多个生物反应器的能力可强化这一步骤：在各反应器中改变不同变量，从而确定合适的参数组合。此外，生物反应器可实现过程自动化，提高结果的统计相关性并降低人为错误的风险。
解决方案
BioXplorer 是开展工艺筛选的强大工具。它能够对各个反应釜（4 个或 8 个，取决于 BioXplorer 型号）进行独立控制，可评估不同参数，获得格外准确、详尽的数据。另一方面，它与 WinISO 集成，可实现过程自动化，降低人为错误的风险，并对条件进行严格控制，从而生成具有统计稳健性的数据。凭借这些能力，BioXplorer 成为高效开展生物工艺筛选的宝贵工具。
工艺开发
生物反应器可以有哪些配置？
搅拌釜式设计可能是最常见的生物反应器形式，它们具有若干一致的设计特征，并针对特定生物工艺进行相应改进。反应器主体是一个圆柱形容器，其中容纳细胞、培养基以及加入反应混合物的其他组分。
生物反应器主体最常用的材料是硼硅玻璃或不锈钢。硼硅玻璃的优点是非常耐用且耐化学腐蚀。同样，不锈钢生物反应器经久耐用，对生物工艺中常用的化学品和组分反应性低。不锈钢（通常为 316L 级）设计的一个优势是能够承受更大的压差。这种耐压性在大规模容器中尤为重要，因为在各批次生物工艺运行之间需使用加压蒸汽进行在线灭菌（SIP）。
需要某种搅拌装置来混合培养基的各组分，防止细胞聚集成团或沉降到生物反应器底部，并促进传质。
搅拌器的设计应与系统的整体设计特点和预期生物工艺相匹配。搅拌器的叶轮部分可以采用多种设计，但都可归为径向流混合或轴向流混合。径向流叶轮通常采用平直叶片，使液体沿生物反应器的半径方向流动——即沿器壁做圆周运动。当气液混合或其他混合至关重要时，径向流叶轮最为合适。轴向流叶轮采用斜叶片，使液体沿生物反应器轴向流动——即在罐体顶部和底部之间流动。轴向流叶轮混合更温和但效率更高，适用于含剪切敏感细胞或颗粒的生物工艺。
搅拌器可通过直接或间接方式与电机连接。两种情况下，电机均位于生物反应器主体外部。采用直接连接时，电机直接与搅拌轴耦合，搅拌轴从反应釜顶部或底部伸入，叶轮固定在该轴上。采用间接连接时，电机与生物反应器外部的磁力驱动器相连；叶轮完全位于反应釜内，并带有与外部驱动器耦合的相应磁体。采用间接驱动时，叶轮可安装在搅拌轴上（轴内含磁力耦合部件），也可直接内置磁体而无需搅拌轴。
直接耦合的优势在于可提供更高的搅拌扭矩，因此更适合黏稠混合物或细胞形成菌膜、团块的情况。间接耦合的扭矩通常较低，且须注意防止磁体脱耦，例如避免搅拌速度过快。
进料口用于引入新鲜培养基等流体，也可引入酸、碱等其他物料。pH 是生物过程中的关键参数之一。在生物反应器中加装 pH 探头，可密切监测 pH 值，并在其偏离可接受范围时进行校正。校正时可加入酸或碱。尽管这些操作都可手动完成，但通常采用基于工艺知识或生物工艺监测的自动化系统。自动化系统将反应器内探头和测量的输入信号与设定的生物工艺操作设定值相关联，并控制泵加入适当的液体，以维持最佳条件。
解决方案
BioXplorer 系列凭借其多功能性，可在工艺开发中发挥重要作用。BioXplorer 支持多种操作模式，包括分批、补料分批和连续反应器模式。它们功能多样，标配多种测量功能，包括温度、pH、溶解氧（DO）、泡沫形成、液位、氧化还原电位（ORP）和细胞密度。为防止蒸发造成的体积损失，BioXplorer 配备了 Peltier 冷却器，避免蒸汽经气路损失。这种灵活性加上多样的反应器配置，使其成为推进生物工艺开发的灵活解决方案。此外，与 WinISO 结合使用可实现过程自动化，提高可靠性并降低人为错误的可能性。
放大
进入工业规模之前需要验证哪些内容？
温度、pH、搅拌和通气等参数至关重要，应已在较小规模下完成优化。中试规模工艺是极其宝贵的工具，是连接实验室规模与工厂规模的桥梁。然而，体积增大可能降低质量和能量传递效率，进而影响整个工艺的生产效率和有效性。中试可用于验证先前的优化是否依然有效；如果无效，则可借此调整导致性能不佳的变量。中试阶段需要评估的关键方面之一是通气与混合，这在体积增大后可能变得困难，导致营养物和氧气分布不均匀，进而造成细胞生长和产物形成下降。
中试研究可通过测试和改进，营造模拟生产规模工艺的条件。实现这些条件有助于更顺利地过渡到工业规模生产。此外，严格的测试可将全面投产后因意外问题造成运营和财务挫折的风险降至最低。
如何确保产品质量的一致性？
台式和中试规模实验可用于证明生物过程的重现性。此外，由于体积较小，可平行运行多个生物反应器，以检验所得数据是否一致。这一阶段对于验证工艺的稳健性至关重要，而稳健性是遵守良好生产规范（GMP）的关键要求。
在此阶段，必须运行大量批次，以证明在规定的操作条件下，产率、产品质量及其他关键特性的结果具有重现性和一致性。中试规模下可重现的工艺能增强对工业规模生产的信心，对于法规申报尤为重要。
另一方面，一致性是指生物工艺生产质量均一产品的能力。在中试规模下，需逐批监测产品质量，确保纯度和效价等参数保持恒定。由于生物系统固有的变异性，这颇具挑战，但通过严格控制参数并使用一致的底物，可将这种变异性降至最低。
中试规模如何帮助降低未来风险？
在中试阶段，生物工艺在模拟工业规模运行的条件下进行测试，但由于规模较小，环境更易于管理和控制。这可以提供一张安全网：一旦出现问题，其解决成本远低于全工业规模。因此，中试规模可作为关键检查点，便于及早发现并纠正问题。
中试规模还可作为操作人员的培训场所，让他们熟悉工艺动态、设备和控制的复杂细节。这一熟悉过程很有帮助，可降低在全规模生产中因操作失误导致安全事故的风险。此外，中试阶段产生的数据可用于工艺验证。
解决方案
BioXplorer，尤其是 BioXplorer 5000，是开展放大工艺的理想平台。该型号可在常压或高压下运行，工作体积最高可达 5 L。这有助于全面了解放大过程中可能受到影响的关键过程，例如更大规模下的能量和质量传递。此外，它还可用于研究氧气和营养物的分布动态，证明其是一款多功能的优化工具。
缩小规模
为什么缩小规模工艺很重要？
缩小规模工艺在生物工艺行业中发挥着关键作用，原因如下：
工艺开发与优化：缩小规模工艺能够在较小规模下再现大规模工艺，因而可以经济、快速地测试生长培养基、温度、pH 或氧水平等条件。
了解工艺挑战：大规模反应器面临混合或通气等典型问题，这些问题在工艺开发中可能被忽视。它们会对工业生产造成重大影响，而缩小规模工艺有助于识别这些潜在挑战。
法规要求：监管机构要求在生产中证明对工艺的理解和控制。作为质量源于设计的一部分，缩小规模模型有助于证明这种理解。
在小型反应器中再现细胞在大规模下所面临的物理、化学和生物参数，有两种方法。
统计缩小规模
该方法旨在识别影响工艺结果的关键因素，并通过统计分析模拟其影响。在这类缩小规模研究中，使用实验室规模反应器开展大量实验，生成与影响生物工艺性能的条件相对应的变量矩阵。该方法耗时更短、成本更低，但另一方面，其保真度可能不及物理缩小规模。
一般而言，统计缩小规模包括设计能够反映大规模工艺变异性的实验，随后收集变量条件和响应变量的数据。基于这些数据可构建描述工艺性能的统计模型，最后根据其预测准确度对模型进行验证。
物理缩小规模
该方法旨在小规模反应器中模拟大规模条件，再现大规模下出现的不均一条件。为此，需要对实验室规模生物反应器进行专门设计。这些小规模反应器可再现环境条件并模拟梯度等物理化学参数，通过间歇补料或脉冲气流等方式引入不均一性。对细胞行为的细致监测可揭示细胞如何响应反应器内的不同条件，以及这些条件如何影响生长、产物形成和营养物消耗等参数。物理缩小规模所得结果随后将进入迭代优化过程，有助于提高工艺效率。
缩小规模过程面临哪些挑战？
由于涉及大量复杂变量，在小型反应器中尽可能真实地再现实际条件颇具挑战。
例如，大规模反应中因混合不完善而产生的梯度很难再现，因为小规模反应器通常混合良好，条件相对均一。这又引出了缩小规模时搅拌方面的另一项潜在挑战。大规模反应器中的混合和搅拌通常依赖大型叶轮，以确保充分混合，从而保证适当的质量和能量传递速率。但不利的一面是，这些大型叶轮会对细胞施加剪切应力，因此很难兼顾两者。缩小规模模型（尤其是物理模型）需要花费大量时间仔细控制众多参数，因此可能耗时耗力。
此外，其迭代性质也会增加所需的时间和成本。然而，这类测试面临的最大挑战之一是如何体现生物复杂性——由于生物系统高度可变，生物复杂性很难纳入缩小规模模型。除生物复杂性外，由于条件往往发生瞬态变化，系统的时间复杂性也很难再现。
解决方案
BioXplorer 系列可在缩小规模工艺分析中发挥重要作用。借助 H.E.L 的 WinISO，可对 BioXplorer 100 和 400 进行精细控制，准确再现更大规模下的条件。使用多个反应器可提高工艺通量，使其成为统计缩小规模研究的有力工具。另一方面，BioXplorer 5000 等较大的反应器可用于再现物理化学梯度等复杂条件，因而在物理缩小规模研究中发挥重要作用。使用 BioXplorer 各型号开展缩小规模研究，可显著节省时间和成本，凸显其在高效、经济的生物工艺管理中的重要价值。