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五分钟了解一次性生物反应器（上）

2023.9.01

　　伴随着生物制药的迅猛发展，一次性生物反应器（Single-use Bioreactors，SUBs）应运而生，并在使用过程中展示出蓬勃的生命力。在本文中，我们对一次性生物反应器的诞生与发展、市场占有和分布及主要生产厂家进行阐述，让读者在最短的时间内了解一次性生物反应器的特点、优势及主要产品，也为大家采购提供思路和帮助。

备受青睐的一次性生物反应器

一次性生物反应器及其组成

　　在介绍一次性生物反应器前，先让我们简单了解一下生物反应器。生物反应器是指一个能为生物反应提供适宜的反应条件，以达到特定生产目标的设备，它是生物技术产业化的核心。

　　一次性生物反应器是一种新型的生物反应器，是用美国食品药品监督管理局（FDA）认证的塑料材料（如聚乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯等）制成，是一种即装即用，可弃式的，替代由不锈钢或玻璃制成的培养容器的生物反应器。

　　一次性生物反应器系统主要由三部分组成：一次性反应模块、培养模块和相应的控制模块。一次性反应模块通常是一次性反应袋，是直接与待培养物接触的部分，也是技术的难点和关键。一次性培养袋内通常集成了温度探头、酸度探头、溶氧探头，这些探头也是一次性使用。

　　培养模块主要作用是支持反应袋。不同的生物反应器类型在培养模块上存在差异。对于搅拌式一次性生物反应器的培养模块主要由培养袋支持罐、搅拌桨及相应的控制系统组成。培养袋支持罐主要用于固定和支撑一次性生物反应器，罐体通常是不锈钢材质，但不与培养物接触。搅拌桨是混匀的关键模块，根据混匀要求和培养体积的不同，搅拌桨可能是塑料或不锈钢材质。

　　搅拌式一次性生物反应器

　　而对于波浪混合式一次性生物反应器的培养模块通常是一个振摇培养模块，包括支持培养袋的培养架，通常为平板，同时带有温度控制模块。轨道振摇式一次性生物反应器的培养模块，同样包括培养袋支撑罐及培养罐振摇模块。与波浪式混匀模式不同，轨道振摇的模式是在同一平面振动。

波浪混合式一次性生物反应器

　　此外，一次性生物反应器系统还配有相应的控制模块、显示模块和管路。控制模块主要用于生物发酵培养中部分参数及其他测量单元的控制。显示模块主要用于生物发酵和培养反应各项参数的显示和控制使用。管路系统用于连结气源、水源以及反应袋，通常也是一次性的模块。

诞生与发展

　　作为生物技术产业的核心，一次性生物反应器与发酵设备毋庸置疑是一次性使用系统（Single-use System）的焦点；而一次性使用系统最早可追溯到20世纪40年代，彼时人们使用PVC塑料膜代替玻璃瓶收集血浆，极大提高了无菌性和安全性，且成本低廉。其后，一次性塑料膜开始应用于生物制药的包材以及培养液和缓冲液的储存等。

　　一次性生物反应器的发展历史可追溯到上世纪六十年代，其时的一次性生物反应器主要是利用塑料袋、塑料培养瓶和96孔微孔板等，用于小规模细胞培养实验等。到了1980年代，随着生物技术的发展和生物制药的兴起，一次性生物反应器开始应用于生物制药领域；这个时期，一些生物制药公司开始研发一次性生物反应器。1990年代，随着生物制药的发展和需要，一次性生物反应器的种类和规格开始逐渐增多，适用范围也逐渐扩大。在这个时期，一些公司开始研发适用于更大规模生产的一次性生物反应器，如 Millipore 公司的 BIOSTAT CultiBag RM 系列产品；1996年，Wave Biotech公司（后被GE收购）推出的波浪混合式生物反应器。此后众多公司先后研发出搅拌式生物反应器、固定床生物反应器、中空纤维生物反应器等等众多类型，生产规模从5-10mL起步，逐渐扩大到2000L甚至更高；并且出现了高通量筛选的生物反应器。

　　进入本世纪以来，一次性生物反应器逐渐成为生物制药领域中不可或缺的一部分，一些公司开始研发适用于不同反应类型的一次性生物反应器，如发酵反应器、细胞培养反应器、病毒培养反应器等。而从 2010年代至今，一次性生物反应器在生物制药领域的应用日益广泛，同时开始在食品工业、化妆品工业、环境工业等领域得到应用。。预计未来一次性生物反应器将会得到更广泛的应用，发挥更加重要的作用。

　　生物反应器是伴随着生物培养技术的发展运用而生的，下表概况了生物反应器（及一次性生物反应器）的发展和进步，不同类型反应器的问世及体积的逐步增大。

分类与应用

　　一次性生物反应器在生物制药、食品工业、化妆品工业等领域得到了广泛的应用，它的分类和应用主要根据其用途和体积大小来划分。

　　一、按照用途分类

　　1. 细胞培养反应器：主要用于细胞培养，其表面涂层和材料有助于细胞附着和生长。

　　2. 发酵反应器：主要用于微生物的发酵，其气体分配系统和搅拌器有助于气体分配从而控制发酵条件和反应过程。

　　3. 病毒培养反应器：主要用于病毒培养，其透明度和材料质量有助于观察病毒的生长和扩增。

　　4. 蛋白表达反应器：主要用于蛋白表达和纯化，其透明度和材料质量有助于蛋白质的纯化和分离。

　　二、按照体积大小分类

　　1. 小型反应器：体积一般在1-1000毫升之间，适合于小规模实验和初步试验。

　　2. 中型反应器：体积一般在1-20升之间，适合于中等规模的实验和生产。

　　3. 大型反应器：体积一般在20-2000升之间，适合于大规模的生产和工业化生产。有专家曾认为2000L是一次性生物反应器的极致，但现在已经4000L，甚至5000L反应器问世。而在实际生产中，1000-2000L应该更能满足药企的实际需要。

不同体积大小的SUBs

　　随着技术的不断发展和成熟，一次性生物反应器作为新型的生物反应器的应用范围和性能也将得到进一步提升。

一次性生物反应器的市场容量及增长

市场增长的驱动因素

　　近些年，一次性生物反应器得到制药和生物技术公司的普遍重视，获得了很好的市场应用，这与一次性生物反应器的特点优势有关，也与技术水平、市场需求、市场竞争力、政策环境和供应链有关。

　　一次性生物反应器市场的增长受多种因素的影响，首先，一次性生物反应器节约生物药制造过程中反复清洗、灭菌、消毒的过程，为制药企业节约了试错和生产的时间；其次，具有灵活性和可扩展性。一次性生物反应器可提供多种规格和容量，应对各种疾病、适应症以及多变的市场需求。相比于不锈钢设备，一次性技术大大降低了前期固定资产的投入，同时缩短了建厂的周期，在提高生产效率的同时降低了综合生产成本。第三，随着新型疫苗和生物药物的不断涌现，对于一次性生物反应器的需求也越来越大。一次性生物反应器可以提供更好的生产环境，满足生物药物的高质量生产需求。第四，政府政策的推动。各国政府对于生物制药产业的政策支持也在推动一次性生物反应器市场的发展。

市场容量和年增长率

　　全球市场

　　生物制药的市场需求正在不断提高，而产品上市的成功与否取决于成本效益高且快速的研发和生产。根据Grand view research报告，2022年全球一次性生物反应器的市场规模为33.041亿美元，预计2023年至2030年将以17.19%的复合年增长率（CAGR）增长，到2030年预计市场规模为120.6亿元。

　　Grand view research对一次性生物反应器的市场预测

　　而根据市场调研公司Mordor Intelligence的报告，全球一次性生物反应器市场规模预计将从 2023年的 13.4027 亿美元增长到 2028 年的 21.29 亿美元，在预测期间（25-2028 年）的复合年增长率为 9.70%。

　　但无论哪种预测，未来一次生物反应器的市场增长预期不低于8%，预示着一次性生物反应器市场前景广阔。

　　从制药研发/生产环节看，研究与工艺开发环节是使用SUBs的主要场景，根据《美国医药评论》(American Pharmaceutical Review)2020年发表的一篇文章：“约71.2%的一次性生物反应器被用于工业流程开发”。而根据《美国药物评论》的统计，约85%的临床或工艺开发是使用一次性系统设备进行的。这表明了SUBs工艺开发环节主导地位。

　　从区域市场的角度看，2022年，北美以占有34.33%份额成为区域市场的主导，这是由于该区域拥有成熟的生物制药公司和主要运营者。而且，北美地区生产力的增加也促进了市场的扩张。例如，赛默飞在该地区专门为一次性生物产品生产投入了新的生产设施。

一次性生物反应器生产的区域占比情况

　　在预测期内，亚太地区的复合年增长率高达17.62%位居各区域之首。据估计，亚洲的企业，包括国内竞争者和全球巨头，正在建设全球大约一半的新生物加工设施。相信在不久的将来，这一举措将大力推动亚太地区一次性生物反应器市场的扩张。

一次性生物反应器的全球市场增长率比对

　　中国市场

　　根据中国市场研究公司亿觅智库的报告，2019年中国一次性生物反应器市场规模约为3.5亿元人民币，预计到2024年将达到6.6亿元人民币，年复合增长率为13.6％。这些数据显示，受生物制药、食品工业、化妆品工业等领域的需求推动，中国一次性生物反应器市场正在快速增长。而中国生物医药市场是仅次于美国的全球第二大市场。一次性生物反应器具有卫生、安全、低成本等优势，同时也具有更高的可重复性和可比性，因此备受市场欢迎。早在2015年，著名生物制药企业药明康德就在无锡投资建设全球最大使用一次性反应器的生物药生产基地，带动更多药企开始应用一次性生物反应器。而2018年，默克宣布在中国无锡着手建立Mobius®一次性产品生产基地。

　　总之，随着生物技术和生物制药的快速发展，中国一次性生物反应器市场前景广阔，未来将会继续保持稳定增长。

品牌占有率

　　一次性生物反应器主要应用于生物制药领域，SUBs的国际10大品牌，主要是Cytiva (GE Healthcare)（美国）、Sartorius（德国）、Merck（美国）、Eppendorf（德国）、Thermo Fisher（美国）、Applikon Biotechnology（荷兰）、 Pierre Guerin（法国）、Cellexus（英国）、PBS Biotech（美国）和 Finesse Solutions（美国）。