生物反应器是当今生物技术和工业微生物学的基石，在酶、疫苗、抗生素和蛋白质等物质的合成与生产中发挥着根本作用。从本质上讲，生物反应器是一种容器，旨在提供受控环境，为微生物、细胞或酶的培养和生长创造所需的理想条件。通过生物反应器的设计与运行，可以优化和控制 pH、温度、氧浓度和营养供给等培养条件，从而最大限度地提高目标产物的质量和产量。
尽管生物反应器在过去几十年才备受关注，但我们应该记得，生物反应器实际上已有一万年的使用历史。不过，直到 20 世纪 50 年代，生物反应器才开始在制药和生物技术等行业中迅速发展。此后，生物反应器在设计、规模和应用方面不断演进，已成为生产各类生物产品不可或缺的工具。本文将介绍几种不同类型的生物反应器及其应用。
生物反应器设计类型
- 搅拌釜式生物反应器 (STR)：STR 由圆柱形容器构成，通过叶轮搅拌流体，使体系尽可能接近均匀状态。STR 用途广泛，可用于培养微生物、动物细胞和植物细胞，以生产蛋白质、疫苗和生物燃料。搅拌釜式反应器是最早开发的现代反应器，其设计仍在不断优化，以提高效率、可放大性和产物收率。
BioXplorer 100 – 搅拌釜式配置的生物反应器示例
- 气升式生物反应器 (ALR)：与 STR 类似，气升式生物反应器也采用圆柱形容器设计。主要区别在于，气升式生物反应器不依赖叶轮，而是配有导流筒和通气系统，从反应器底部通入气泡。气泡上升时可增强氧传递，并使液体循环混合。气升式生物反应器适用于动物细胞等剪切敏感型细胞以及低密度产物（如酶和代谢物）的生产，其他应用还包括废水处理和生物膜培养。
- 填充床生物反应器 (PBR)：这类生物反应器为填充有固体支撑材料的柱体，支撑材料可以是颗粒、纤维或微珠，为微生物生长提供附着表面。填充材料上可形成生物膜，随着新鲜培养基泵入柱内，生物膜不断获得养分。填充床生物反应器常用于生产胞外酶以及去除废水中的污染物。这类反应器的主要优势在于生产率高、成本低且操作简便。
- 膜生物反应器 (MBR)：将生物处理与膜过滤结合为单一工艺的生物反应器。MBR 中的膜可将生物质从液体培养基中滤出，从而实现培养基澄清，无需额外的二次澄清步骤。由于能够去除污染物、有机物和潜在病原体，MBR 被广泛用于废水处理。
- 光生物反应器 (PBR)：生物反应器旨在为细胞增殖提供最佳环境。光生物反应器在此基础上更进一步，增加了光照控制，用于培养蓝细菌和微藻等光合生物。经过优化设计的光生物反应器可生产大量用作动物饲料的生物质。此外，光合细胞基因工程的进展也培育出了专门合成生物燃料和药物的菌株。
- 灌流生物反应器：灌流生物反应器旨在维持连续细胞培养，因此特别适合高密度细胞（如哺乳动物细胞）的培养。在连续反应器中，移除培养基以补充新鲜培养基时，部分细胞培养物会随之流失。而灌流生物反应器采用中空纤维或填充床系统，可在移除培养基的同时将细胞保留在反应器中。灌流生物反应器可用于培养哺乳动物细胞和组织，以生产修饰蛋白。
连接过去与未来
一万年来，生物反应器始终伴随着人类，最初用于烹饪，改善食品的保存性和感官特性。自 20 世纪 50 年代以来，生物反应器在生物工艺中的应用不断扩展，涵盖从药物到生物燃料的生产。广泛的应用推动了各类专用生物反应器的设计与优化，每种类型都具有独特优势。
近年来，生物反应器设计领域不断变化和发展。其中一个趋势是一次性生物反应器的应用，其优势包括降低污染风险、缩短周转时间和降低运行成本。另一个趋势是模块化系统的开发，使平行运行和放大之间的过渡更加容易。总体而言，生物反应器设计是一个引人入胜的领域，持续的发展与创新正推动其在效率、可放大性和可持续性方面不断提升。