我国大规模细胞培养生物反应器综述（三）
3.2国内生物反应器设计与制造发展趋势
3.2.1以代谢流分析为核心的生物反应器
长期来发酵过程优化与放大所依据的基本思想和方法是采用经典动力学为基础的最佳工艺控制点为依据的静态操作方法，实质上这只是化学工程宏观动力学概念在发酵工程上的延伸。例如，用氨水调节pH时，关心的是最佳pH值，却不注意氨水加量的动态变化及其与其他参数的关系。在溶解氧浓度（DO）测量与控制时，关心的是最佳DO值或临界值，不注意细胞代谢时的耗氧率。显而易见，用在以活细胞代谢为主体的发酵过程就有很大的局限性，应该重视细胞代谢流的存在。
作者在研究了生物反应器中的细胞过程特点后，提出了细胞过程的多尺度问题研究[ ]，认为活细胞为主体的细胞大规模培养的生物反应过程，可以分为基因分子尺度、细胞尺度与生物反应器尺度的网络结构，是不同尺度的网络状态的输入输出关系，存在着信息流、物质流与能量流。发酵过程优化不能只是从单一尺度（基因、细胞、生物反应器）上去解决，要注意他们之间的关系和瓶颈问题，其中跨尺度观察与控制是微生物过程优化的关键，由此形成了一套基于参数相关的发酵过程多水平问题研究的优化技术和发酵过程多参数调整的放大技术。
随着过程传感技术和计算机技术的发展，国家生化工程技术研究中心（上海）设计了一种用于生物过程多尺度研究的新概念发酵装置（已由上海国强生化工程装备有限公司组织生产，定型为FUS-50L（A））[
]，该装置以生物反应器中物料流检测的观点，具有十四个以上在线参数检测或控制，并集中力量开发了一个适应多种反应器特点，融合多种过程理论和控制理论，便于发酵过程工艺分析和优化操作的软件包。在鸟苷发酵过程中，从反应器测量参数上发现了细胞代谢流迁移，由此实现了过程优化[
]。该产品先后成功地在青霉素、红霉素、饲料金霉素、链霉素、黄霉素、泰乐霉素、棒酸、鸟苷、肌苷、基因工程白蛋白、基因工程疟疾疫苗、基因工程植酸酶、胰岛素原（PIP）、基因工程必特螺旋霉素等多种产品上发酵优化应用取得了大幅提高发酵单位能力，其优化结果一般可由几十升发酵罐直接放大到上百立方的工业生产发酵罐。
3.2.2动物细胞大规模培养生物反应器研制
由于细菌等原核细胞表达系统在转录及修饰方面的缺陷，许多重要价值的蛋白质，特别是基因工程药物、疫苗、抗体等糖基化的需要，使哺乳类动物细胞表达系统成了一个更合适的工具，因此，哺乳类动物细胞表达系统引起了大家重视。以哺乳动物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。
国外用于生产的动物细胞生物反应器已趋于大型化（最大到吨级规模）、多参数与高度自动化的计算机控制系统、以及适应动物细胞对大型环境因子高敏感性的反应器精巧设计制造，并形成商品化供应用户。我国自“七五”至“八五”攻关期间立题开展有关动物细胞生物反应器研究，取得了较大进展，但哺乳类细胞培养技术要求高，技术壁垒大，有关公司在未能掌握核心技术的情况下，单凭模拟很难开展工作。抗体等其他细胞表达产品，装药量大，我国科研单位已经掌握的早期生物药开发技术很难应用到新型药物生产工艺上，需要重新摸索；由于细胞株等上游配套技术的落后、反应器研制技术的差距、以及有关缺乏生化工程的研究等原因，因而缺乏必要的条件去掌握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，我国有关动物细胞生物反应器产业仍近乎空白。
由于动物细胞无细胞壁，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、渗透压等等问题一直是动物细胞大规模培养的关键技术。此外，动物细胞对pH、溶氧、温度、剪切应力、抗污染等环境因子的高敏感性，实现动物细胞生化反应器的大型化、自动化和精巧化也成为大家关注的问题。
从当前发展趋势来看，悬浮细胞、无血清培养，是目前世界范围内各大生物公司产业化生产的发展方向。悬浮细胞、无血清培养在规模化生产提高单位产量、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。是高度生产化的最有效的途径。是目前世界各大生物公司竞相开发的前沿课题。也是美国FDA要求各生物公司建立的规模化生产技术平台。
从反应器类型来看，早期动物细胞反应器较多采用贴壁培养反应器，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，但近年来特别是血液、淋巴组织、许多肿瘤细胞（包括杂交瘤），以及一些其他转化细胞系都采用悬浮培养反应器，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，但大多只能在实验室规模应用，一些适合于生产规模的更新类型的悬浮培养反应器也正在开发，如瑞典的BIO公司和德国的B.Braun公司。
此外，从代谢流分析来看，动物细胞对营养的严格要求都是与胞内代谢有关，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，特别是近年来细胞代谢工程的研究，有关代谢流的分布，基因水平和细胞水平的代谢调控研究文献大量报导。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，实现过程参数相关的优化技术研究，有可能取得过程优化技术的重大突破。
我国有关商品化大规模动物细胞反应器产品还处于空白，必需迅速组织力量发展。可以首先对于动物细胞反应器的关键技术的有关部件和材料研制出发，加强装备制造工艺研究力量，然后结合动物细胞过程工艺特性，形成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各领域技术进步，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产品。
3.2.3带pH测量与补料控制的摇床 ── 摇床应用技术的发展
20世纪三十年代摇床问世以来，摇床就作为生物反应过程中必备的一种专用设备，用于微生物、动植物细胞菌种筛选、种子扩大培养等。由于摇床设备的特点，不能实时测量培养过程中的有关参数以及过程补料控制，因此长期以来一直以摇床的放瓶结果作为实验数据。当用来作为诸如菌种生理特性变化、培养基成分的作用以及温度、pH等环境条件变化等研究的依据时, 实际上是一种缺乏过程研究的静态分析方法。这种方法的局限性是很显然的，例如以这种方法作为菌种选育后技术时，传统摇瓶筛选方法往往缺乏补料或供氧不足，并不一定处于代谢流分配最合理的状态，由此将出现严重的高产菌株漏筛现象。因此，国内外有关公司己注意开发带pH测量的摇床，并形成产品。
如上海国强生化工程装备有限公司开发的系列摇床，就是根据菌种在FUS-50L（A）进行发酵操作时，可以很明显地观察到过程pH值与其他参数变化（如菌体生长、OUR、CER、RQ、各种补料操作…等）的相关性，这种随不同发酵时间的相关性变化可以反映菌体生理状态的变化，对发酵过程优化与放大研究具有极重要的意义。与过去把发酵pH值作为最佳条件的概念不同，可以通过该装置pH检测功能，根据发酵过程参数相关的原理观察到菌体生理特性的变化。带pH测量的摇床既克服摇瓶中多参数测量的困难，又不失为代谢流分析的基本原理。为了进一步实现对培养过程的控制，还精心设计用于摇瓶的微量补料技术，实现各种碳氮源的流加、pH控制或微量元素控制等。把pH实时测量与流加技术相结合，对实现以代谢流为核心的动态研究具有重要意义。
由于摇瓶的多瓶以及不同工艺的组合对照操作，可以大大缩短研究进度。由此可见，带pH测量与补料控制的摇床实质上不仅只是一个简易型生物反应器，而且特别适合于各种微生物和基因工程菌的菌种筛选和培养的早期大批量工作，高通量筛选能力明显优于常规的摇床和生物反应器。其装备制造的难点就是研制稳定的pH测量装置和精细的补料系统。由于耐高压灭菌锅的高温灭菌以及摇床振荡时的高阻抗输入特性的抗干扰要求，pH电极装置及导线仪表系统必需作精细设计；补料系统必需微量、有效、并可人工任意程序设定。
