生物反應器在生物醫藥產業中的研究進展

王尚君，陳鴻飛

（南京市計量監督檢測院，江蘇南京 210049）

近年來，全球生物醫藥產業發展迅猛。2018年的十大暢銷藥物中，8種為生物藥，其中7種為抗體藥物、1種為疫苗，這8種生物藥的銷售收入占2018年十大暢銷藥物總銷售收入的82.5%[1]?；凇皠游锛毎囵B”技術的蛋白質醫藥產業已成為生物醫藥的重點發展方向，利用該技術生產的產品有人源化和全人源治療性抗體、多糖工程蛋白、新型靶點生物藥物等。而生物反應器是動物細胞培養中不可代替的主要設備，在生物醫藥的全生命周期中也起到了越來越重要的作用。生物反應器是實施生物催化反應的裝置，其目標是滿足細胞增殖及高效合成目標產物[2]。典型生物醫藥的全生命周期是起于上游的原料輸入，到中游的研發和質控，再到中游的生產，最后涉及下游的生產。其中中游的研發又包括臨床前研究和Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ期臨床研究，臨床前研究需要細胞庫的建立、細胞培養、純化工藝開發和制劑處方工藝優化等階段。中游的生產要先歷經小試、中試才能最終到到商業化規模。對于動物細胞培養生產的生物藥物，生物反應器在中游的各個環節都具有關鍵作用，生物反應器的發展進一步推動了生物醫藥產業的發展。本文按工作體積、材質和原理對應用于生物醫藥的生物反應器的研究進展進行論述。

1 按工作體積分類

按研發和生產的不同階段，小試、中試至工業化生產適用不同體積的生物反應器。按反應體積，生物反應器可分為微型、小型和常規型。微型生物反應器的工作體積小于1 mL，主要分為微流控生物反應器、微孔板生物反應器和可丟棄型生物反應器3類[3]。小型生物反應器的工作體積一般在1～250 mL。微小型生物反應器一般用于研發階段，進行工藝的優化。常規型生物反應器按小試、中試和商業化生產的需求，反應體積呈現數量級的增大。實驗室小試常用的臺式反應器體積一般為1～5 L，中試分為實驗室中試和工廠中試反應器，反應體積分別為10～50 L和100～500 L。商業化規模的生產根據產品和反應體系的不同，體積差別較大，例如大部分針對細胞培養的商業規模的生物反應器一般為1 000～3 000 L，但面向大規模微生物培養的反應器在中試規模就可能會達到5 000 L[4]。

2 按材質分類

按生物反應器的罐體材質，可將其分為金屬和非金屬。不銹鋼材質通常應用于適用于中試及大規模生產的大型生物反應器。非金屬材質主要包括硅酸鹽玻璃和聚合物。硅硼酸鹽玻璃常用于實驗室規模的小型生物反應器的罐體的制備。聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）是最常用的聚合物材料，PDMS易于生產和塑形，與其他聚合物材料、玻璃材質相結合后常用于制備微流控的生物反應器。采用注塑法，能夠快速批量生產PDMS的結構，對于較為復雜的結構，還需要進一步加工組裝。聚氨酯（Polyurethane，PU）和聚偏二氟乙烯（Polyvinylidene fluoride，PVDF）常用于制備中空纖維的膜生物反應器。其他常用的聚合物還包括聚碳酸酯（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]。

材料的兼容性對生物反應器的性能有重要的影響。反應體系和反應器的界面不發生反應，也不會發生溶解。有些反應產物會吸附到材料表面，導致產量降低，培養環境的改變會影響細胞狀態。因為微小型反應器比表面積較大，使這一影響更為顯著。材料的生物安全性也不容忽視，如果材料直接或間接釋放對細胞或微生物有害的物質，會導致細胞生長狀態不良，甚至死亡。而某些金屬材料釋放的痕量金屬，會引起細胞內的催化反應。為了方便在外部對容器內的參數進行光學測量，并觀察細胞的培養狀態，也應關注材料的透光性。

3 按原理分類

3.1 攪拌式生物反應器

利用攪拌漿旋轉以驅動液相流動，從而為液體攪拌提供動力的攪拌式生物反應器，具備優良的通用性，在微生物發酵、動物細胞培養等工業反應器中仍占據最大份額。攪拌式生物反應器具備高傳質傳熱，均勻的流體混合效果，較長的液體停留時間和較大的操作彈性等優點，使得此類反應器具有廣泛的操作和調節空間。目前對于攪拌式反應器的研究，主要集中于攪拌器的形式、氣泡分布器、供熱方式和湍流特性等方面[6]。

3.2 氣升式生物反應器

氣升式反應器的結構形式主要由氣流帶動液相強制循環的方式決定，分為自外向內的內循環氣升反應器和自內向外的外循環氣升反應器。由于氣升反應器具有結構相對簡單，剪切力較小，產生的湍流較溫和，溶氧效果較好，能耗低等優點，也被廣泛應用于生物反應體系[7]。目前對于氣升式反應器的研究主要集中于對導流筒結構和空氣分布器結構的優化設計等方面。

3.3 鼓泡塔生物反應器

鼓泡塔生物反應器常為塔體和氣體分布器構成，氣體自反應器底部通入經過氣體分布器分散成氣泡沿含有反應物或催化劑的液體上升，實現氣液相均勻混合反應的過程。氣體空塔氣速和氣體分布器的結構共同決定了氣泡大小及其分布狀況，從而影響傳質。鼓泡塔反應器結構簡單、制造成本低、便于控制及防腐性好，適用于高壓，但效率有待進一步提高。

3.4 膜生物反應器

膜生物反應器主要由膜組件和生物反應器兩部分組成，按照膜組件在生物反應器中所起的作用，膜生物反應器可分為膜分離生物反應器、膜曝氣生物反應器和萃取膜生物反應器。按照膜組件與生物反應器的組合位置，膜生物反應器可分為分置式和一體式兩種[8]。膜生物反應器具有增大反應速率、提高反應轉化率、運行控制更加穩定和降低處理工藝的能耗等優點。

3.5 新型生物反應器

隨著技術的不斷發展，新型生物反應器的研究得到蓬勃發展。例如，纖維載體的固定床反應器、脈動層流式生物反應器、搖床式生物反應器、微流體培養系統和高通量細胞培養系統等。

4 結語

生物醫藥行業關注生物醫藥產品的全過程分析技術，以促進對培養的動態過程進行更全面、實時的監測，從而實現對產品工藝流程的控制。生物反應器配有的電化學或光學檢測傳感器能有效監測生化過程的關鍵工藝參數，如pH、溶氧量、溫度、壓強、通氣量和攪拌轉速等。生物反應器傳感器方面將圍繞如何改善精確度、靈敏度、生物相容性和體積開展進行深入研究。傳統的生物醫藥研發與生產的周期漫長，在應對突發性疫情的威脅時響應速度慢，新一代的微小型生物反應器具備高通量技術，可顯著縮短研發周期，降低人力、物力成本，提高生物醫藥研發中工藝參數的質量，為疫苗等生物醫藥的研發和生產帶來突破性發展[9]。生物反應器作為生物醫藥產業再生產和擴大的關鍵設備，生物反應器將向小體積、智能化和高通量方向發展，對生物加工制造領域產生重要的積極影響。