生物反應(yīng)器與相關(guān)生物工程探討
生物反應(yīng)器是指利用酶或生物體 (如微生物、動(dòng)植物細(xì)胞)所具有的特殊功能，在體外進(jìn)行生物化學(xué)反應(yīng)的裝置系統(tǒng)。與化學(xué)反應(yīng)器不同，化學(xué)反應(yīng)器從原料進(jìn)入到產(chǎn)物生成，常常需要加壓和加熱，是一個(gè)高能耗過程，而生物反應(yīng)器則不同，在酶和微生物的參與下，在常溫和常壓下就可以進(jìn)行化學(xué)合成。因此生物反應(yīng)器更有發(fā)展前景。
生物反應(yīng)器 自從問世后就廣泛應(yīng)用于基因工程產(chǎn)品、各類疫苗、抗菌素類、生物食品、生物農(nóng)藥、生物肥料、生物能源、環(huán)境保護(hù)、生物醫(yī)藥、生物化工、生物新材料等諸多領(lǐng)域。生物反應(yīng)器在這些領(lǐng)域的應(yīng)用的目的就是使產(chǎn)品的質(zhì)量最高，生產(chǎn)成本最低，生產(chǎn)過程集中而簡便。
生物反應(yīng)器種類繁多，有傳統(tǒng)的生物反應(yīng)器和廣義的生物反應(yīng)器之分。從概念上說，所有的動(dòng)物體、植物體及它們的器官和組織都可以成為廣義的生物反應(yīng)器。例如現(xiàn)代生物學(xué)使用動(dòng)物乳腺生物反應(yīng)器生產(chǎn)蛋白藥物：使用植物如蕃茄、馬鈴薯、甜菜作為反應(yīng)器生產(chǎn)抗原；使用昆蟲如家蠶作為反應(yīng)器生產(chǎn)獸用疫苗。以上幾種生物反應(yīng)器中某些類型的生物反應(yīng)器已進(jìn)入中試或大規(guī)模生產(chǎn)，生產(chǎn)的產(chǎn)品也有很多進(jìn)入臨床或商業(yè)化生產(chǎn)。
生物反應(yīng)器的應(yīng)用十分廣泛，本文主要探討用于培養(yǎng)細(xì)胞或細(xì)菌，并獲得相應(yīng)產(chǎn)物的傳統(tǒng)生物反應(yīng)器及相關(guān)生物工程產(chǎn)業(yè)的發(fā)展情況。
1生物反應(yīng)器的功能和控制 生物反應(yīng)器的主要功能是模擬生物生長或生產(chǎn)的自然環(huán)境。在生物反應(yīng)器上可能用到的模擬自然生長環(huán)境的控制參數(shù)主要有：酸堿度、溶氧、溫度、攪拌、通氣、消泡、液位、稱重、壓力、光密度、濁度、離子強(qiáng)度、粘度、葡萄糖、乳酸、氨以及其他營養(yǎng)物或代謝產(chǎn)物的濃度等等。這些參數(shù)的選擇是根據(jù)被培養(yǎng)生物的生長代謝需求來確定的。
在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)研究和工業(yè)生產(chǎn)中對生物反應(yīng)器的過程和參數(shù)的控制有多種類型。主要的分類方法和類型有：
①從生物反應(yīng)器的補(bǔ)料及收獲來分有批次培養(yǎng)、流加 (半連續(xù)) 模擬的自然或體內(nèi)環(huán)境；
②符合過程反應(yīng)動(dòng)力學(xué)要求的化學(xué) 培養(yǎng)、連續(xù)培養(yǎng)、連續(xù)灌注培養(yǎng)等；
②從生物反應(yīng)器的供氣方式來分有表層通氣、深層通氣、微泡通氣、無泡通氣等；
③從生物反應(yīng)器的攪拌方式來分有單層槳攪拌、多層槳攪拌、底攪拌、側(cè)攪拌、項(xiàng)攪拌、氣升式攪拌、機(jī)械攪拌、磁力攪拌等。
對不同類型生物反應(yīng)器的控制和參數(shù)的控制是基于對培養(yǎng)過程及培養(yǎng)工藝的了解和選擇、對工藝過程上下游的準(zhǔn)確把握及對產(chǎn)能的控制及過程質(zhì)控的執(zhí)行而決定的。好的生物反應(yīng)器必須滿足以下要求：
①生物因素，包括生物相容性，模擬的自然或體內(nèi)環(huán)境；
②符合過程反應(yīng)動(dòng)力學(xué)要求的化學(xué)因素；
③保證物質(zhì)快速均勻傳遞傳質(zhì)因素；
④傳熱因素，要求加入和轉(zhuǎn)移熱量，無過熱點(diǎn)，滅菌徹底；
⑤監(jiān)控因素，包括在線過程監(jiān)控，環(huán)境代謝調(diào)節(jié)；
⑥安全因素，包括防內(nèi)外污染，符合生物安全的準(zhǔn)則和條例；
⑦操作因素，包括要求便于操作和維修。
2 生物反應(yīng)器與生物工程中試
生物反應(yīng)器從大小來分，可以分為小型實(shí)驗(yàn)室類型、中試類型、大型生產(chǎn)類型。在生物反應(yīng)器的使用中，中試是連接實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)的重要紐帶和橋梁。中試工藝的設(shè)計(jì)摸索和中試生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方案息息相關(guān)。中試放大實(shí)驗(yàn)有以下主要內(nèi)容：建細(xì)胞庫、探索工藝可行性并驗(yàn)證、檢驗(yàn)方法和質(zhì)控標(biāo)準(zhǔn)、制劑和成品的初步穩(wěn)定性研究、制造和檢定記錄和規(guī)程草案、參比品的制備和標(biāo)定、提供動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床研究用產(chǎn)品等。中試生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)既需要一定的開放靈活性，又要考慮符合 GLP、GMP及藥品監(jiān)督管理部門的要求。中試生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)的成功與否，直接關(guān)系著大規(guī)模生產(chǎn)的可行性。
目前，生物反應(yīng)器中試放大實(shí)驗(yàn)還存在一些需要解決的問題，主要的問題有培養(yǎng)基優(yōu)化、細(xì)胞生長的條件及控制、產(chǎn)物表達(dá)的條件及控制、污染的控制、產(chǎn)物有效回收、硬件及過程參數(shù)優(yōu)化、自動(dòng)化及控制系統(tǒng)策略、質(zhì)控體系的建立等。
3 生物反應(yīng)器與生物工程的大規(guī)模工業(yè)化 生物反應(yīng)器真正轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力是應(yīng)用在生物工程的大規(guī)�，F(xiàn)代工業(yè)化方面，應(yīng)用于規(guī)模生產(chǎn)的生物反應(yīng)器可以是比例放大系統(tǒng)，也可以是重復(fù)放大系統(tǒng)；可以是單體模式，也可以是工業(yè)模塊化系統(tǒng)，或大規(guī)模集成化系統(tǒng)。 生物反應(yīng)器的大規(guī)�，F(xiàn)代工業(yè)化需要大規(guī)模的輔助支持系統(tǒng)，如WFI系統(tǒng)、CIP系統(tǒng)、SIP系統(tǒng)、培養(yǎng)基儲(chǔ)存系統(tǒng)、補(bǔ)料系統(tǒng)、收獲系統(tǒng)等。它同時(shí)需要配備功能強(qiáng)大的工業(yè)控制系統(tǒng)，如裝備可視化操作軟件、自動(dòng)化程度集成化程度高、控制良好的系統(tǒng)。生物工程工業(yè)化的成功與否在于基于工藝的生物反應(yīng)器系統(tǒng)化設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，包括上游下游的設(shè)計(jì)和布局等。
4 生物反應(yīng)器與哺乳動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)
哺乳動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)是現(xiàn)代生物制藥的重要手段，對該技術(shù)的了解和掌握非常重要，其過程就是從基因工程到細(xì)胞工程、藥物工程的過程，也就是從DNA到 RNA、蛋白質(zhì)、工程細(xì)胞株、生物反應(yīng)器、純化、制劑的過程，也可以說是從普通實(shí)驗(yàn)室到 GLP實(shí)驗(yàn)室，從中試生產(chǎn)到 cGMP生產(chǎn)，從實(shí)驗(yàn)室的樣品到臨床試驗(yàn)、商業(yè)化產(chǎn)品的過程。它是規(guī)模不斷放大的過程，是不斷摸索工藝的過程，是質(zhì)量控制不斷科學(xué)化規(guī)范化的過程。在該過程中細(xì)胞生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、制造及使用是整個(gè)流程的核心。
5 生物反應(yīng)器發(fā)展的推動(dòng)力
一些基本因素的發(fā)展推動(dòng)著生物反應(yīng)器的發(fā)展，這些基本因素有：
①新工藝。工藝是工程的核心，而生物反應(yīng)器是生物工程生產(chǎn)系統(tǒng)的核心，工藝的進(jìn)步必然帶動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)的改變，因此必將推動(dòng)生物反應(yīng)器的發(fā)展；
②新材料。新材料的使用不斷的推動(dòng)著生物反應(yīng)器的發(fā)展，主要體現(xiàn)在生物相容性、無菌過濾、密封性、易清洗性等方面；
③新檢測手段。新的在線及離線檢測器的不斷推出，讓生物反應(yīng)器的工作狀態(tài)可以受到更精確的控制：
④新自動(dòng)化控制策略。工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的控制策略的發(fā)展和改進(jìn)也推動(dòng)了生物反應(yīng)器控制模式的進(jìn)步；
⑤新質(zhì)控要求。新的行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)及新的污染控制及質(zhì)量控制要求推動(dòng)了生物反應(yīng)器的發(fā)展；
⑥新的成本要求。新的成本要求也會(huì)直接推動(dòng)著生物反應(yīng)器的改變。如近年來袋式生物反應(yīng)器的推廣使用就極大的推動(dòng)了生物反應(yīng)器的改變。
6 生物反應(yīng)器與成功的生物工程系統(tǒng)
高效率的生產(chǎn)取決于生物工程系統(tǒng)，現(xiàn)代成功的生物工程系統(tǒng)有以下關(guān)鍵要素：
①高效工程菌 (細(xì)胞)株的構(gòu)建。種子的優(yōu)良直接關(guān)系到工藝的復(fù)雜程度及產(chǎn)品的品質(zhì)和產(chǎn)量；
②培養(yǎng)基的優(yōu)化。培養(yǎng)基的優(yōu)化直接關(guān)系到是否能高效培養(yǎng)及產(chǎn)品純化的難易程度；
③生物反應(yīng)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)。符合工藝路線，進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)的生物反應(yīng)器系統(tǒng)是整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的核心；~SIP&CIP及公用工程支持系統(tǒng)的有效性直接關(guān)系著整個(gè)系統(tǒng)的效率和成敗；
⑤實(shí)時(shí)監(jiān)控及隱患排除。完善的風(fēng)險(xiǎn)評估、分析、預(yù)防、處理體系是整個(gè)系統(tǒng)的安全保障；
⑥嚴(yán)格執(zhí)行 cGMP是產(chǎn)品品質(zhì)及安全性的基本保障體系。
