生物反應(yīng)器在生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)中的研究進展

王尚君，陳鴻飛

（南京市計量監(jiān)督檢測院，江蘇南京 210049）

近年來，全球生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)發(fā)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]。基于“動物細胞培養(yǎng)”技術(shù)的蛋白質(zhì)醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)已成為生物醫(yī)藥的重點發(fā)展方向，利用該技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)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(yīng)器是動物細胞培養(yǎng)中不可代替的主要設(shè)備，在生物醫(yī)藥的全生命周期中也起到了越來越重要的作用。生物反應(yīng)器是實施生物催化反應(yīng)的裝置，其目標是滿足細胞增殖及高效合成目標產(chǎn)物[2]。典型生物醫(yī)藥的全生命周期是起于上游的原料輸入，到中游的研發(fā)和質(zhì)控，再到中游的生產(chǎn)，最后涉及下游的生產(chǎn)。其中中游的研發(fā)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(yǎng)、純化工藝開發(fā)和制劑處方工藝優(yōu)化等階段。中游的生產(chǎn)要先歷經(jīng)小試、中試才能最終到到商業(yè)化規(guī)模。對于動物細胞培養(yǎng)生產(chǎn)的生物藥物，生物反應(yīng)器在中游的各個環(huán)節(jié)都具有關(guān)鍵作用，生物反應(yīng)器的發(fā)展進一步推動了生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。本文按工作體積、材質(zhì)和原理對應(yīng)用于生物醫(yī)藥的生物反應(yīng)器的研究進展進行論述。

1 按工作體積分類

按研發(fā)和生產(chǎn)的不同階段，小試、中試至工業(yè)化生產(chǎn)適用不同體積的生物反應(yīng)器。按反應(yīng)體積，生物反應(yīng)器可分為微型、小型和常規(guī)型。微型生物反應(yīng)器的工作體積小于1 mL，主要分為微流控生物反應(yīng)器、微孔板生物反應(yīng)器和可丟棄型生物反應(yīng)器3類[3]。小型生物反應(yīng)器的工作體積一般在1～250 mL。微小型生物反應(yīng)器一般用于研發(fā)階段，進行工藝的優(yōu)化。常規(guī)型生物反應(yīng)器按小試、中試和商業(yè)化生產(chǎn)的需求，反應(yīng)體積呈現(xiàn)數(shù)量級的增大。實驗室小試常用的臺式反應(yīng)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(yīng)器，反應(yīng)體積分別為10～50 L和100～500 L。商業(yè)化規(guī)模的生產(chǎn)根據(jù)產(chǎn)品和反應(yīng)體系的不同，體積差別較大，例如大部分針對細胞培養(yǎng)的商業(yè)規(guī)模的生物反應(yīng)器一般為1 000～3 000 L，但面向大規(guī)模微生物培養(yǎng)的反應(yīng)器在中試規(guī)模就可能會達到5 000 L[4]。

2 按材質(zhì)分類

按生物反應(yīng)器的罐體材質(zhì)，可將其分為金屬和非金屬。不銹鋼材質(zhì)通常應(yīng)用于適用于中試及大規(guī)模生產(chǎn)的大型生物反應(yīng)器。非金屬材質(zhì)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(guī)模的小型生物反應(yīng)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(chǎn)和塑形，與其他聚合物材料、玻璃材質(zhì)相結(jié)合后常用于制備微流控的生物反應(yīng)器。采用注塑法，能夠快速批量生產(chǎn)PDMS的結(jié)構(gòu)，對于較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，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(yīng)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(yīng)器的性能有重要的影響。反應(yīng)體系和反應(yīng)器的界面不發(fā)生反應(yīng)，也不會發(fā)生溶解。有些反應(yīng)產(chǎn)物會吸附到材料表面，導(dǎo)致產(chǎn)量降低，培養(yǎng)環(huán)境的改變會影響細胞狀態(tài)。因為微小型反應(yīng)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(zhì)，會導(dǎo)致細胞生長狀態(tài)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(nèi)的催化反應(yīng)。為了方便在外部對容器內(nèi)的參數(shù)進行光學(xué)測量，并觀察細胞的培養(yǎng)狀態(tài)，也應(yīng)關(guān)注材料的透光性。

3 按原理分類

3.1 攪拌式生物反應(yīng)器

利用攪拌漿旋轉(zhuǎn)以驅(qū)動液相流動，從而為液體攪拌提供動力的攪拌式生物反應(yīng)器，具備優(yōu)良的通用性，在微生物發(fā)酵、動物細胞培養(yǎng)等工業(yè)反應(yīng)器中仍占據(jù)最大份額。攪拌式生物反應(yīng)器具備高傳質(zhì)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(yōu)點，使得此類反應(yīng)器具有廣泛的操作和調(diào)節(jié)空間。目前對于攪拌式反應(yīng)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(yīng)器

氣升式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)形式主要由氣流帶動液相強制循環(huán)的方式?jīng)Q定，分為自外向內(nèi)的內(nèi)循環(huán)氣升反應(yīng)器和自內(nèi)向外的外循環(huán)氣升反應(yīng)器。由于氣升反應(yīng)器具有結(jié)構(gòu)相對簡單，剪切力較小，產(chǎn)生的湍流較溫和，溶氧效果較好，能耗低等優(yōu)點，也被廣泛應(yīng)用于生物反應(yīng)體系[7]。目前對于氣升式反應(yīng)器的研究主要集中于對導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)和空氣分布器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計等方面。

3.3 鼓泡塔生物反應(yīng)器

鼓泡塔生物反應(yīng)器常為塔體和氣體分布器構(gòu)成，氣體自反應(yīng)器底部通入經(jīng)過氣體分布器分散成氣泡沿含有反應(yīng)物或催化劑的液體上升，實現(xiàn)氣液相均勻混合反應(yīng)的過程。氣體空塔氣速和氣體分布器的結(jié)構(gòu)共同決定了氣泡大小及其分布狀況，從而影響傳質(zhì)。鼓泡塔反應(yīng)器結(jié)構(gòu)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(yīng)器

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

3.5 新型生物反應(yīng)器

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，新型生物反應(yīng)器的研究得到蓬勃發(fā)展。例如，纖維載體的固定床反應(yīng)器、脈動層流式生物反應(yīng)器、搖床式生物反應(yīng)器、微流體培養(yǎng)系統(tǒng)和高通量細胞培養(yǎng)系統(tǒng)等。

4 結(jié)語

生物醫(yī)藥行業(yè)關(guān)注生物醫(yī)藥產(chǎn)品的全過程分析技術(shù)，以促進對培養(yǎng)的動態(tài)過程進行更全面、實時的監(jiān)測，從而實現(xiàn)對產(chǎn)品工藝流程的控制。生物反應(yīng)器配有的電化學(xué)或光學(xué)檢測傳感器能有效監(jiān)測生化過程的關(guān)鍵工藝參數(shù)，如pH、溶氧量、溫度、壓強、通氣量和攪拌轉(zhuǎn)速等。生物反應(yīng)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(tǒng)的生物醫(yī)藥研發(fā)與生產(chǎn)的周期漫長，在應(yīng)對突發(fā)性疫情的威脅時響應(yīng)速度慢，新一代的微小型生物反應(yīng)器具備高通量技術(shù)，可顯著縮短研發(fā)周期，降低人力、物力成本，提高生物醫(yī)藥研發(fā)中工藝參數(shù)的質(zhì)量，為疫苗等生物醫(yī)藥的研發(fā)和生產(chǎn)帶來突破性發(fā)展[9]。生物反應(yīng)器作為生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)再生產(chǎn)和擴大的關(guān)鍵設(shè)備，生物反應(yīng)器將向小體積、智能化和高通量方向發(fā)展，對生物加工制造領(lǐng)域產(chǎn)生重要的積極影響。