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，我国高端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、性能优越的生物反应器，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
具有先进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（最大到吨级规模），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最新的技术，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、发酵热及高效传热装置、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）应先进，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
作者：
2006-9-21