生物反应器在生物医药产业中的研究进展

王尚君，陈鸿飞

（南京市计量监督检测院，江苏南京 210049）

近年来，全球生物医药产业发展迅猛。2018年的十大畅销药物中，8种为生物药，其中7种为抗体药物、1种为疫苗，这8种生物药的销售收入占2018年十大畅销药物总销售收入的82.5%[1]。基于“动物细胞培养”技术的蛋白质医药产业已成为生物医药的重点发展方向，利用该技术生产的产品有人源化和全人源治疗性抗体、多糖工程蛋白、新型靶点生物药物等。而生物反应器是动物细胞培养中不可代替的主要设备，在生物医药的全生命周期中也起到了越来越重要的作用。生物反应器是实施生物催化反应的装置，其目标是满足细胞增殖及高效合成目标产物[2]。典型生物医药的全生命周期是起于上游的原料输入，到中游的研发和质控，再到中游的生产，最后涉及下游的生产。其中中游的研发又包括临床前研究和Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ期临床研究，临床前研究需要细胞库的建立、细胞培养、纯化工艺开发和制剂处方工艺优化等阶段。中游的生产要先历经小试、中试才能最终到到商业化规模。对于动物细胞培养生产的生物药物，生物反应器在中游的各个环节都具有关键作用，生物反应器的发展进一步推动了生物医药产业的发展。本文按工作体积、材质和原理对应用于生物医药的生物反应器的研究进展进行论述。

1 按工作体积分类

按研发和生产的不同阶段，小试、中试至工业化生产适用不同体积的生物反应器。按反应体积，生物反应器可分为微型、小型和常规型。微型生物反应器的工作体积小于1 mL，主要分为微流控生物反应器、微孔板生物反应器和可丢弃型生物反应器3类[3]。小型生物反应器的工作体积一般在1～250 mL。微小型生物反应器一般用于研发阶段，进行工艺的优化。常规型生物反应器按小试、中试和商业化生产的需求，反应体积呈现数量级的增大。实验室小试常用的台式反应器体积一般为1～5 L，中试分为实验室中试和工厂中试反应器，反应体积分别为10～50 L和100～500 L。商业化规模的生产根据产品和反应体系的不同，体积差别较大，例如大部分针对细胞培养的商业规模的生物反应器一般为1 000～3 000 L，但面向大规模微生物培养的反应器在中试规模就可能会达到5 000 L[4]。

2 按材质分类

按生物反应器的罐体材质，可将其分为金属和非金属。不锈钢材质通常应用于适用于中试及大规模生产的大型生物反应器。非金属材质主要包括硅酸盐玻璃和聚合物。硅硼酸盐玻璃常用于实验室规模的小型生物反应器的罐体的制备。聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）是最常用的聚合物材料，PDMS易于生产和塑形，与其他聚合物材料、玻璃材质相结合后常用于制备微流控的生物反应器。采用注塑法，能够快速批量生产PDMS的结构，对于较为复杂的结构，还需要进一步加工组装。聚氨酯（Polyurethane，PU）和聚偏二氟乙烯（Polyvinylidene fluoride，PVDF）常用于制备中空纤维的膜生物反应器。其他常用的聚合物还包括聚碳酸酯（Polycarbonate，PC）、聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethylmethacrylate，PMMA）、聚苯乙烯（Polystyrene，PS）和聚醚砜（Polyethersulfone，PES）等[5]。

材料的兼容性对生物反应器的性能有重要的影响。反应体系和反应器的界面不发生反应，也不会发生溶解。有些反应产物会吸附到材料表面，导致产量降低，培养环境的改变会影响细胞状态。因为微小型反应器比表面积较大，使这一影响更为显著。材料的生物安全性也不容忽视，如果材料直接或间接释放对细胞或微生物有害的物质，会导致细胞生长状态不良，甚至死亡。而某些金属材料释放的痕量金属，会引起细胞内的催化反应。为了方便在外部对容器内的参数进行光学测量，并观察细胞的培养状态，也应关注材料的透光性。

3 按原理分类

3.1 搅拌式生物反应器

利用搅拌浆旋转以驱动液相流动，从而为液体搅拌提供动力的搅拌式生物反应器，具备优良的通用性，在微生物发酵、动物细胞培养等工业反应器中仍占据最大份额。搅拌式生物反应器具备高传质传热，均匀的流体混合效果，较长的液体停留时间和较大的操作弹性等优点，使得此类反应器具有广泛的操作和调节空间。目前对于搅拌式反应器的研究，主要集中于搅拌器的形式、气泡分布器、供热方式和湍流特性等方面[6]。

3.2 气升式生物反应器

气升式反应器的结构形式主要由气流带动液相强制循环的方式决定，分为自外向内的内循环气升反应器和自内向外的外循环气升反应器。由于气升反应器具有结构相对简单，剪切力较小，产生的湍流较温和，溶氧效果较好，能耗低等优点，也被广泛应用于生物反应体系[7]。目前对于气升式反应器的研究主要集中于对导流筒结构和空气分布器结构的优化设计等方面。

3.3 鼓泡塔生物反应器

鼓泡塔生物反应器常为塔体和气体分布器构成，气体自反应器底部通入经过气体分布器分散成气泡沿含有反应物或催化剂的液体上升，实现气液相均匀混合反应的过程。气体空塔气速和气体分布器的结构共同决定了气泡大小及其分布状况，从而影响传质。鼓泡塔反应器结构简单、制造成本低、便于控制及防腐性好，适用于高压，但效率有待进一步提高。

3.4 膜生物反应器

膜生物反应器主要由膜组件和生物反应器两部分组成，按照膜组件在生物反应器中所起的作用，膜生物反应器可分为膜分离生物反应器、膜曝气生物反应器和萃取膜生物反应器。按照膜组件与生物反应器的组合位置，膜生物反应器可分为分置式和一体式两种[8]。膜生物反应器具有增大反应速率、提高反应转化率、运行控制更加稳定和降低处理工艺的能耗等优点。

3.5 新型生物反应器

随着技术的不断发展，新型生物反应器的研究得到蓬勃发展。例如，纤维载体的固定床反应器、脉动层流式生物反应器、摇床式生物反应器、微流体培养系统和高通量细胞培养系统等。

4 结语

生物医药行业关注生物医药产品的全过程分析技术，以促进对培养的动态过程进行更全面、实时的监测，从而实现对产品工艺流程的控制。生物反应器配有的电化学或光学检测传感器能有效监测生化过程的关键工艺参数，如pH、溶氧量、温度、压强、通气量和搅拌转速等。生物反应器传感器方面将围绕如何改善精确度、灵敏度、生物相容性和体积开展进行深入研究。传统的生物医药研发与生产的周期漫长，在应对突发性疫情的威胁时响应速度慢，新一代的微小型生物反应器具备高通量技术，可显著缩短研发周期，降低人力、物力成本，提高生物医药研发中工艺参数的质量，为疫苗等生物医药的研发和生产带来突破性发展[9]。生物反应器作为生物医药产业再生产和扩大的关键设备，生物反应器将向小体积、智能化和高通量方向发展，对生物加工制造领域产生重要的积极影响。