动物细胞培养反应器的发展趋势

长期以来，发酵过程优化放大的基本思想和方法是基于经典动力学的基于最优过程控制点的静态操作方法。本质上，这只是发酵工程中化工宏观动力学概念的延伸。比如用氨水调节pH时，关注的是最佳pH值，而忽略了氨水用量的动态变化及其与其他参数的关系。在溶解氧浓度(DO)的测量和控制中，关注的是最佳DO值或临界值，而忽略了细胞代谢过程中的耗氧率。显然，用于以活细胞代谢为主体的发酵过程时有很大的局限性，应注意细胞代谢流的存在。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)设计了一种新概念发酵装置(由上海国强生化工程设备有限公司组织生产，外形为FUS-50L(A))，用于生物过程的多尺度研究。该装置从生物反应器中的物流检测的角度出发，具有超过14个在线参数检测或控制，并致力于开发一种适应各种反应器特性并集成各种过程理论和控制理论的装置。在鸟苷发酵过程中，从反应器的实测参数中发现了细胞代谢流迁移，从而实现了过程优化[]。该产品已成功应用于青霉素、红霉素、饲料金霉素、链霉素、黄霉素、泰乐菌素、克拉维酸、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)、基因工程螺旋霉素等产品，发酵单位容量大幅提高，优化结果一般可从几十升发酵罐直接放大到几百立方米的工业化生产发酵罐。

2.用于动物细胞大规模培养的生物反应器

由于细菌等原核细胞表达系统在转录和修饰方面的缺陷，许多重要蛋白质的发展，特别是糖基化的基因工程药物、疫苗和抗体的需要，都使得哺乳动物细胞表达系统成为更合适的工具，因此哺乳动物细胞表达系统引起了大家的关注。以大规模哺乳动物培养技术为基础的生物制药产业在美国等西方国家发展迅速。几十种产品已进入市场，取得了巨大的经济效益和社会效益。国外用于生产的动物细胞生物反应器已经趋向于大规模(高达吨级)、多参数和高度自动化的计算机控制系统，并且适应于动物细胞对大环境因素的高敏感性的反应器已经被精巧地设计和制造，并且已经为用户商业化。“七五”至“八五”期间，我国启动了动物细胞生物反应器的研究，并取得了很大进展。但由于哺乳动物细胞培养的技术要求和技术壁垒较高，相关公司在不掌握核心技术的情况下，很难仅靠模拟来开展工作。抗体等细胞表达产物药物量大，我国科研单位已掌握的早期生物制药开发技术难以应用到新药生产过程中，需要再次探索；由于细胞系等上游配套技术的落后、反应器开发技术的差距、生化工程研究的不足，难以掌握高表达细胞系的构建和大规模细胞培养技术，难以突破技术瓶颈。中国的动物细胞生物反应器产业几乎还是空白。

3.pH测量和给料控制摇床──摇床应用技术的发展。

自20世纪30年代摇床问世以来，它就被用作生物反应过程中必不可少的专用设备，如微生物的筛选、动植物细胞株、种子扩大培养等。由于摇床设备的特点，无法实时测量培养过程中的相关参数以及过程中补料的控制，所以长期以来一直以摇床的放瓶结果作为实验数据。当它作为菌株生理特性变化、培养基成分作用以及温度、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。这种方法的局限性显而易见。比如将这种方法作为菌种的后育种技术时，传统的摇瓶筛选方法往往缺乏补料或供氧，不一定处于代谢流分配的最合理状态，因此会出现严重的高产菌株漏筛现象。因此，国内外相关公司都关注了pH测量摇床的开发，并形成了产品。

4.生物反应器中试系统设计。

对于生产能力较大的传统生物技术产品，为优化已通过前期研究(实验室研究和市场分析)的产品的工艺，在中试规模上达到较高的生产水平或质量，进一步为车间生产提供工艺放大和设备设计的依据，必要时进行小批量生产，提供应用试验样品或部分产品进行市场销售。因此，近年来，许多与发酵产品生产相关的企业迫切需要建立一个多功能的中试发酵车间。

5.大型生物反应器的设计与制造技术研究。

随着发酵工业几十年来的快速发展，发酵工程趋向于大型化、高效化和自动化。在传统生物技术产品方面，一些氨基酸、抗生素或发酵轻化产品正在几十到几百个M3发展。一些以前是小规模发酵罐的老厂搬到了新厂，一般都要求扩大发酵罐的规模。基因工程产品一般附加值高，不需要大型生物反应器。然而，近年来，随着基因工程酶生产技术的发展，如基因工程植酸酶的成功研究，以及饲料添加剂的大量需求，开发用于基因工程的高密度、高表达的大型生物反应器势在必行。特别是在未来，随着矿产能源的枯竭，利用生物质生产燃料乙醇已被提上重要的战略日程，高效节能的大型发酵装置的应用是降低生产成本不可或缺的关键技术，如美国、巴西等国容量超过2000M3的发酵装置。