我國每年采用大量的搖瓶或不同規(guī)模的生物反應器進行生物技術(shù)產(chǎn)品的研究或生產(chǎn)，每年有相當數(shù)量的生物技術(shù)工程項目實施。但是，我國生物技術(shù)產(chǎn)品的核心生產(chǎn)裝置——生物反應器的制造水平令人擔憂：目前，生物反應器生產(chǎn)企業(yè)大都從事中低檔產(chǎn)品生產(chǎn)，以仿制為主，著重于以降低生產(chǎn)成本為目的的零部件替換研究。由于這些企業(yè)缺乏生物技術(shù)研究實力，以及工藝、工程、裝備一體化的研究體系，因而不能隨著生物技術(shù)的迅猛發(fā)展，開展生物反應器的同步開發(fā)。目前，我國生物技術(shù)產(chǎn)品所需的、符合GMP要求的生物反應器仍主要由國外公司提供。因此，當前我國必須大力開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的、性能*的生物反應器，以推動生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展。

多技術(shù)結(jié)合 提升生物反應器性能

具有*的生物過程優(yōu)化和放大能力是生物反應器的核心性能。由于在生物反應器中所發(fā)生的反應是在分子水平的遺傳特性、細胞水平的代謝調(diào)節(jié)和反應器工程水平的混和傳遞等多尺度（水平）上發(fā)生的。因此，如何利用生物反應器中的多參數(shù)檢測技術(shù)和在線計算機控制與數(shù)據(jù)處理技術(shù)，把細胞在反應器中的各種表型數(shù)據(jù)與代謝調(diào)控有關(guān)的基因結(jié)構(gòu)研究關(guān)聯(lián)起來，是反應器過程優(yōu)化與放大的重要內(nèi)容，也是當前國內(nèi)外競相發(fā)展的、具有原創(chuàng)性的知識產(chǎn)權(quán)技術(shù)，其對促進生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

■性能要求新看點

目前，為了適應各種生物技術(shù)的實驗室成果向產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化的需要，生物反應器的性能要求愈來愈高，主要體現(xiàn)在：

用于基因工程高密度高表達，符合GMP要求的生物反應器以及一些新技術(shù)的應用等。其中關(guān)于供氧問題，快速升溫、在位自動滅菌、在線自動清洗、機械密封、排氣處理、取樣處理等問題，以及培養(yǎng)液成分的流動注射分析（FIA）等都有待研究。

哺乳動物細胞大規(guī)模培養(yǎng)是當前生產(chǎn)高附加值的糖基化活性蛋白醫(yī)藥產(chǎn)品的重要基礎。根據(jù)哺乳動物細胞無細胞壁，對剪切高度敏感的特點，在細胞生長控制上，要防止細胞分化和細胞凋亡，有時還要考慮對產(chǎn)品糖基化質(zhì)量的要求。所以，反應器要具備低剪切效應、混合性能好等特點，并具有細胞形態(tài)在線觀察和活細胞數(shù)量傳感技術(shù)，以及防污染的灌注系統(tǒng)、取樣系統(tǒng)等。

用于細胞反應過程的生理特性和過程傳遞特性研究的生物反應器的開發(fā)。其中主要內(nèi)容是用于過程分析的各種傳感器選型、研制和數(shù)據(jù)處理軟件包的研制。近年來，隨著微生物基因組測序和系統(tǒng)生物學研究工作的深入展開，發(fā)酵過程檢測與控測已經(jīng)從基于參數(shù)傳感技術(shù)的反饋控制發(fā)展為以信息處理為基礎的生物過程檢測與分析。將各種譜分析與生物反應器實驗數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來，提供各種表型數(shù)據(jù)具有重要意義，因而對反應器設計提出了新的要求。

■及時更新產(chǎn)品設計

生物反應器是涉及多種專業(yè)技術(shù)的裝備。隨著反應器零部件技術(shù)的進步，必須及時更新產(chǎn)品設計，為用戶提供性能更高且價格合理的反應器產(chǎn)品。這些零部件技術(shù)包括計算機軟硬件技術(shù)、各種傳感技術(shù)、反應器流型設計、新機械結(jié)構(gòu)和材料等。此外，隨著信息處理技術(shù)的發(fā)展，應努力實現(xiàn)大批量數(shù)據(jù)處理、貯存與通信，把生物信息與過程信息結(jié)合起來，實現(xiàn)復雜生物系統(tǒng)的分析與控制。

■建立生產(chǎn)標準

建立生物反應器生產(chǎn)標準、實施IS09001管理是發(fā)展生物反應器產(chǎn)業(yè)的重要內(nèi)容，只有這樣才能提供符合用戶要求及質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品。
如研究確定生物反應器產(chǎn)品成套加工的工藝技術(shù)路線和質(zhì)量控制措施。在生物反應器制造過程中，對材料、焊接、表面處理、零部件機加工、外購件、易耗品、安裝流程、器材倉庫管理等全過程都嚴格實施質(zhì)量檢驗。同時，確立并實施原材料、半成品、成品標準。如有關(guān)傳感器及一些（如空氣過濾器、閥件、質(zhì)量流量計等）關(guān)鍵部件的測試標準，整機性能測試標準，并建立和實施產(chǎn)品質(zhì)量過程控制程序、整機性能測試標準等。

我國哺乳動物細胞生物反應器產(chǎn)業(yè)有待突破

由于細菌等原核細胞表達系統(tǒng)在轉(zhuǎn)錄及修飾方面存在缺陷，而基于許多有重要價值的蛋白質(zhì)，特別是基因工程藥物、疫苗、抗體等糖基化的需要，使哺乳動物細胞表達系統(tǒng)成了一個更合適的動物細胞培養(yǎng)工具。近年來，以哺乳動物細胞大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù)為基礎的生物制藥產(chǎn)業(yè)在美國等西方國家得到了迅速發(fā)展，數(shù)十種產(chǎn)品已進入市場，取得了巨大的經(jīng)濟和社會效益。

雖然我國從“七五”至“八五”攻關(guān)期間已立題開展哺乳動物細胞生物反應器的研究。但由于哺乳動物細胞培養(yǎng)技術(shù)要求高，技術(shù)壁壘大，有關(guān)企業(yè)在未能掌握核心技術(shù)的情況下，單憑模擬很難取得實質(zhì)性進展。另外，由于抗體等其他細胞表達產(chǎn)品裝藥量大，我國科研單位掌握的早期生物藥開發(fā)技術(shù)很難應用到新型藥物的生產(chǎn)工藝上，需要重新摸索。并且由于我國細胞株構(gòu)建等上游配套技術(shù)的落后、反應器研制技術(shù)的差距，以及生化工程研究水平較低等，因而缺乏必要的基礎去攻克高表達細胞株構(gòu)建和大規(guī)模細胞培養(yǎng)技術(shù)，難以突破技術(shù)瓶頸。目前，我國哺乳動物細胞生物反應器產(chǎn)業(yè)仍近乎空白。

由于哺乳動物細胞無細胞壁，對營養(yǎng)要求嚴格，因此細胞是否附著于固體或半固體表面生長（貼壁培養(yǎng)）、培養(yǎng)基中血清的使用、抑制因子的積聚度、滲透壓等問題一直是哺乳動物細胞大規(guī)模培養(yǎng)的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。此外，哺乳動物細胞對pH值、溶氧、溫度、剪切應力、抗污染等環(huán)境因子具有高敏感性，實現(xiàn)哺乳動物細胞生物反應器的大型化、自動化和精巧化有較大難度。

從當前發(fā)展趨勢來看，懸浮細胞、無血清培養(yǎng)是實現(xiàn)哺乳動物細胞規(guī)?；囵B(yǎng)的發(fā)展方向。懸浮細胞、無血清培養(yǎng)對于提高規(guī)?；瘎游锛毎囵B(yǎng)的單位產(chǎn)量，實現(xiàn)細胞的高密度培養(yǎng)、高密度表達，簡化生產(chǎn)工藝、降低生產(chǎn)成本、保證大規(guī)模生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量等方面，都起到非常重要的作用，是世界各大生物公司競相開發(fā)的前沿課題。美國FDA已要求各生物公司建立此類規(guī)模化生產(chǎn)技術(shù)平臺。

國外用于生產(chǎn)的哺乳動物細胞生物反應器趨于大型化（zui大到噸級規(guī)模），具有多參數(shù)與高度自動化的計算機控制系統(tǒng)，以及適應哺乳動物細胞對大型反應器環(huán)境因子高敏感性的精巧設計。從反應器類型來看，早期的動物細胞反應器較多采用貼壁培養(yǎng)，其中微載體的使用可使貼壁細胞的培養(yǎng)像懸浮培養(yǎng)那樣進行。但近年來，血液、淋巴組織、許多腫瘤細胞（包括雜交瘤），以及其他轉(zhuǎn)化細胞系都采用懸浮培養(yǎng)反應器，并形成各種類型。其中，推廣較多的有美國NBS公司的填充床生物反應器，但其大多在實驗室規(guī)模應用。一些適合于生產(chǎn)規(guī)模的更新類型的懸浮培養(yǎng)反應器正在開發(fā)中，如瑞典的BIO公司和德國的B.Braun公司都致力于此類產(chǎn)品的研發(fā)。

近年來，細胞代謝流的分布、基因水平和細胞水平的代謝調(diào)控研究有了大量報道。從代謝流角度來看，動物細胞對營養(yǎng)的嚴格要求都與胞內(nèi)代謝有關(guān)，不同途徑消耗的各種營養(yǎng)物的比例實質(zhì)上是細胞代謝狀態(tài)遷移的結(jié)果。因此，以過程代謝物質(zhì)流檢測為目標，研究動物細胞生物反應器的多參數(shù)傳感技術(shù)，通過計算機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，進行過程參數(shù)相關(guān)的優(yōu)化，有可能取得過程優(yōu)化技術(shù)的重大突破。
總之，由于我國商品化的大規(guī)模哺乳動物細胞反應器產(chǎn)品還處于空白，因此必需迅速組織力量予以發(fā)展。首先，可以從動物細胞反應器的關(guān)鍵部件和材料研制出發(fā)，加強裝備制造工藝研究。然后，結(jié)合動物細胞反應過程的工藝特性，實現(xiàn)裝備設計與工藝要求的統(tǒng)一。此外，在研制過程中要注意及時吸收的技術(shù)，如計算機軟硬件技術(shù)、新材料技術(shù)和生物技術(shù)等，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的裝備。

企業(yè)急需生物反應中試系統(tǒng)

目前，為了對已經(jīng)通過前期研究的產(chǎn)品進行過程優(yōu)化研究，在中試規(guī)模上達到高生產(chǎn)水平或質(zhì)量，并為車間生產(chǎn)提供工藝放大依據(jù)和設備設計依據(jù)，必要時還可進行小批量生產(chǎn)，提供試驗樣品，或供市場銷售的部分產(chǎn)品，許多發(fā)酵產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)迫切需要建立多功能的中試發(fā)酵車間。

考慮到中試系統(tǒng)的通用性以及為生產(chǎn)設備的設計提供數(shù)據(jù)的需要，中試系統(tǒng)的一些關(guān)鍵設計環(huán)節(jié)，如攪拌功率及攪拌槳形式、發(fā)酵熱及傳熱裝置、通氣流量等必須有足夠的調(diào)節(jié)余量或多種選擇。此外，參數(shù)檢測系統(tǒng)必須配置較完整的傳感（約14個參數(shù)以上）與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)與制造技術(shù)（如罐體材料、焊接、拋光、夾套結(jié)構(gòu)與制造、攪拌裝置制造技術(shù)等）應*，以為今后的發(fā)酵過程優(yōu)化與放大設計提供重要的工程設計數(shù)據(jù)。

在中試系統(tǒng)中，一個重要的設計環(huán)節(jié)是生物反應器群控技術(shù)的過程控制與數(shù)據(jù)處理。這不是通常意義的下位計算機所能實現(xiàn)的。因此，如何根據(jù)不同情況選用計算機系統(tǒng)就成為一個重要問題。

近年來，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，在生物反應器系統(tǒng)中可以選用單片計算機、PLC、工業(yè)控制計算機、現(xiàn)場總線計算機控制系統(tǒng)和DCS系統(tǒng)等。其中，現(xiàn)場總線系統(tǒng)與大容量計算機相結(jié)合可以很好地適應發(fā)酵中試系統(tǒng)的控制與數(shù)據(jù)處理要求。

此外，還可以將智能嵌入式計算機系統(tǒng)的智能模塊技術(shù)、高性能網(wǎng)絡通信技術(shù)、信息處理技術(shù)、綜合自動化控制技術(shù)與生物反應控制系統(tǒng)有機結(jié)合，使每個罐被一個現(xiàn)場總線模塊獨立控制，各個罐相互獨立，用分散的虛擬控制站取代集中的控制站，以增加系統(tǒng)的可靠性。同時，多個罐的控制回路可用以太網(wǎng)連到一個IPC組成的操作站，組成小型的局域網(wǎng)，并采用常規(guī)控制系統(tǒng)軟件包對所有發(fā)酵罐進行控制，達到高安全性和連續(xù)操作。同時，以上位計算機作為數(shù)據(jù)通訊的集中顯示系統(tǒng)，使系統(tǒng)具有貯存量大、數(shù)據(jù)處理方便和人機界面直觀的特點。

帶pH值測量與補料控制的搖床“問世”

搖床是用于菌種篩選、種子擴大培養(yǎng)等的一種設備。傳統(tǒng)的搖床設備往往不能實時檢測培養(yǎng)過程中的有關(guān)參數(shù)以及進行補料控制，因此，長期以來一直以搖床的放瓶結(jié)果作為實驗數(shù)據(jù)。當這些數(shù)據(jù)被用來作為諸如菌種生理特性變化、培養(yǎng)基成分的作用，以及溫度、pH值等環(huán)境條件變化等研究的依據(jù)時,實際上得到的是缺乏過程研究的靜態(tài)分析結(jié)果。這種搖床的局限性是很顯然的，例如進行菌種選育時，傳統(tǒng)搖瓶篩選方法往往缺乏補料或供氧不足，并不一定處于代謝流分配zui合理的狀態(tài)，由此可能出現(xiàn)嚴重的高產(chǎn)菌株漏篩現(xiàn)象。因此，國內(nèi)外有關(guān)公司己著手開發(fā)帶pH值測量系統(tǒng)的搖床，并形成產(chǎn)品。

我國也開發(fā)出帶pH值測量、補料控制的新型搖床。該裝置可以觀察到過程pH值與其他參數(shù)變化（如菌體生長、菌耗氧率、CO2釋放率、呼吸熵、各種補料操作等）。這種不同發(fā)酵時間的相關(guān)性變化可以反映菌體生理狀態(tài)的變化，對發(fā)酵過程優(yōu)化與放大研究具有極重要的意義。與過去把發(fā)酵pH值作為*條件的概念不同，使用者可以通過該裝置的pH值檢測功能，根據(jù)發(fā)酵過程參數(shù)觀察到菌體生理特性的變化。另外，該裝置的微量補料技術(shù)，可實現(xiàn)各種碳氮源的流加、pH值控制、微量元素控制等。

帶pH值測量與補料控制的搖床不僅是一個簡易型生物反應器，還特別適合于各種微生物和基因工程菌的菌種篩選和培養(yǎng)的早期大批量工作。其高通量篩選能力明顯優(yōu)于常規(guī)的搖床和生物反應器。該裝備制造的難點是研制穩(wěn)定的pH值測量裝置和精細的補料系統(tǒng)。由于耐高壓滅菌鍋的高溫滅菌以及搖床振蕩時的高阻抗輸入特性，因此，搖床的pH值電極裝置及導線儀表系統(tǒng)必需經(jīng)過精細設計；補料系統(tǒng)必須微量、有效，并可由人工進行任意程序的設定。

多尺度控制的生物反應器“出爐”

長期以來，發(fā)酵過程的優(yōu)化與放大是采用以經(jīng)典動力學為基礎、以*工藝控制點為依據(jù)的靜態(tài)操作方法。實質(zhì)上這只是化學工程宏觀動力學概念在發(fā)酵工程上的延伸。例如，生產(chǎn)者在用氨水調(diào)節(jié)pH值時，關(guān)心的是*pH值，卻不注意氨水加量的動態(tài)變化及其與其他參數(shù)的關(guān)系；在溶解氧濃度（DO）測量與控制時，關(guān)心的是*DO值或臨界值，卻不注意細胞代謝時的耗氧率。新的研究表明，以活細胞為主體的細胞大規(guī)模培養(yǎng)的生物反應過程可以分為基因分子尺度、細胞尺度與生物反應器尺度，是不同尺度的網(wǎng)絡狀態(tài)的輸入輸出關(guān)系，存在著信息流、物質(zhì)流與能量流。因此，發(fā)酵過程的優(yōu)化不能只是從單一尺度（基因、細胞、生物反應器）上加以解決，而要注意它們之間的關(guān)系，其中跨尺度觀察與控制是微生物過程優(yōu)化的關(guān)鍵。在這一思路的基礎上，目前我國已形成了一套參數(shù)相關(guān)的發(fā)酵過程多水平的優(yōu)化技術(shù)和發(fā)酵過程多參數(shù)調(diào)整的放大技術(shù)，以及以代謝流分析為核心的新型發(fā)酵裝置。

據(jù)了解，這一由國家生化工程技術(shù)研究中心（上海）設計，由上海國強生化工程裝備有限公司組織生產(chǎn)的用于生物過程多尺度研究的新型發(fā)酵裝置，具有在線參數(shù)檢測與控制功能。科研人員還開發(fā)出一個適應多種反應器特點，融合多種過程理論和控制理論，便于發(fā)酵過程工藝分析和優(yōu)化操作的軟件包。該裝置已先后在青霉素、紅霉素、飼料金霉素、鏈霉素、黃霉素、泰樂霉素、棒酸、鳥苷、肌苷、基因工程白蛋白、基因工程瘧疾疫苗、基因工程植酸酶、胰島素原（PIP）、基因工程必特螺旋霉素等產(chǎn)品的生產(chǎn)中取得了大幅提高發(fā)酵單位的效果，其優(yōu)化結(jié)果一般可由幾十升發(fā)酵罐直接放大到上百立方米的工業(yè)生產(chǎn)發(fā)酵罐。 “大型化”趨勢形成放大技術(shù)需跟上

幾十年來，隨著發(fā)酵工業(yè)的快速發(fā)展，發(fā)酵工程設備趨向大型、和自動化。傳統(tǒng)生物技術(shù)產(chǎn)品，如一些氨基酸、抗生素及發(fā)酵輕化工產(chǎn)品的發(fā)酵設備都在幾十升到幾百立方米以上。一些原來采用小規(guī)模發(fā)酵罐的老廠搬遷至新廠區(qū)，發(fā)酵罐的規(guī)模也普遍放大。另外，近年來隨著基因工程酶生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，如基因工程植酸酶的研究成功，又由于飼料添加劑的需求量大，研制用于基因工程產(chǎn)品高密度高表達的大型生物反應器已勢在必行。、節(jié)能的大型發(fā)酵裝置的應用也是降低生產(chǎn)成本的關(guān)鍵。目前，美國、巴西等國家的發(fā)酵裝置已達2000立方米以上。

大型裝置的利用也帶來新的技術(shù)問題。目前國內(nèi)發(fā)酵過程工業(yè)放大主要是根據(jù)經(jīng)驗放大，體現(xiàn)在使單位體積功率相等、單位體積通氣比相同或選用相同的攪拌槳形式等，然而實際情況很難把握。后來又引進了化學工程的冷態(tài)試驗方法，對罐內(nèi)流型進行充分研究，zui后根據(jù)其混和傳遞特點，進行大型生物反應器設計。但是，實際情況有時偏差也很大。

發(fā)酵過程放大困難的原因就在于放大時不可能同時做到幾何相似、流體運動學相似和流體動力學相似。在小試研究中，當某一個對生產(chǎn)產(chǎn)生影響的重要因素沒有被觀察到，而這個因素恰恰在放大時成為關(guān)鍵因子時，就會造成整個發(fā)酵過程的失敗。為此，在發(fā)酵過程放大研究時，要在以代謝流分析與控制為核心的發(fā)酵實驗裝置上進行研究，由此可在放大的設備上得到*相同的反映代謝流等生理數(shù)據(jù)的變化曲線。
但是，以上工作還只是生理代謝參數(shù)相似的放大原則，并不足以確定大型發(fā)酵罐的幾何結(jié)構(gòu)和動力結(jié)構(gòu)等設計參數(shù)。因此，將放大規(guī)模的狀態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)化為操作或設計參數(shù)還需要一個研究過程。例如需要開展根據(jù)菌耗氧率、KLa以及所選用的攪拌槳特性測算不同發(fā)酵罐規(guī)模所需的攪拌功率研究；根據(jù)菌耗氧率與菌體細胞剪切適應量選擇不同規(guī)模發(fā)酵罐的攪拌器形式、轉(zhuǎn)速或其他結(jié)構(gòu)的研究；攪拌器的混和與剪切特性的冷態(tài)研究，計算流體力學的應用研究；大型發(fā)酵罐高功率攪拌器的加工與動平衡研究，以及傳動裝置技術(shù)和整體罐結(jié)構(gòu)設計研究；根據(jù)耗氧率進行發(fā)熱量估計及傳熱面積的研究；不同傳熱結(jié)構(gòu)（夾套、蛇管、半圓管和激光焊接膨脹型蜂窩夾套）的傳熱效果、強度、無菌性能研究；放大效應的計算機控制補償?shù)脑O計研究，以及具有補償控制能力的計算機數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)研究；還有上述研究的數(shù)據(jù)庫建立與推廣應用。因此，如何在放大的罐體上實現(xiàn)相同代謝流參數(shù)的效果，需要生物學、化學工程、機械制造、傳感技術(shù)、計算機控制技術(shù)的綜合利用。
來源：中國醫(yī)藥報