动物细胞生物反应器，是给动物细胞的生长代谢提供一个最优化的环境，从而使其在生长代谢过程中产生出最大量、最优质的所需产物。为了达到该目的，理想的动物细胞生物反应器必需具备如下一些基本要求：

    ①制造生物反应器所采用的一切材料，尤其是与培养基、细胞直接接触的材料，对细胞必须无毒性。

    ②生物反应器的结构必须使之具有良好的传质、传热和混合的性能。

    ③密封性能良好，可避免一切外来的不需要的微生物的污染。

    ④对培养环境中多种物理化学参数能自动检测和调节控制，控制的精确度高，而且能保持环境质量的均一。

    ⑤可长期连续运转，这对于培养动物细胞的生物反应器显得尤其重要。

    ⑥容器加工制造时要求内面光滑，无死角，以减少细胞或微生物的沉积。

    ⑦拆装、连接和清洁方便，能耐高压蒸汽消毒，便于操作维修。

    ⑧设备成本尽可能低。

    目前市场上有各种规模的动物细胞反应器供应，按其规模大小，一般将其分为实验室规模（lab scale），中试规模（pilot scale）和生产规模（industrial scale）。             

一、动物细胞生物反应器的类型及其基本结构 

早期培养动物细胞的生物反应器多半是借用培养细菌的发酵设备。近些年来，随着动物细胞大量培养技术的发展，新型的生物反应器正在不断出现。除对传统的搅拌式生物反应器经改造使之更适于动物细胞培养外，又出现了气升式生物反应器、固定床式生物反应器、流化床式生物反应器、袋式或膜式生物反应器、中空纤维生物反应器、以及可同时制备巨载体和微囊等固定化培养的生物反应器。

1．搅拌罐式生物反应器（stirred-tank bioreactor）

    这是最经典的和最早被采用的一种动物细胞反应器，最先从细菌发酵罐借鉴而来，现在大多已根据动物细胞固有的特点而改造成更适于动物细胞的培养。

经过改进的搅拌罐式生物反应器仍是目前大规模培养动物细胞、用以生产各种药物的主要设备。它主要用于悬浮细胞的培养、微载体培养、微囊和巨载体培养以及结团培养。

2．气升式生物反应器（airlift bioreactor）

该反应器主要用于悬浮细胞的分批式培养，但近年也已被开发用于贴壁细胞的微载体培养，并进行半连续、连续和灌流培养。近来有人正在研究液气双升式生物反应器，以便将气泡与微载体培养的细胞分隔开。

3．中空纤维式生物反应器（hollow-fiber bioreactor）

该反应器的优点是占地空间小，产品产量、质量高，生产成本低。不足之处是：①不能重复使用；②不能耐高压蒸汽灭菌，需用环氧乙烷或其他消毒剂灭菌；③难以取样检测。

4．透析袋或膜式生物反应器（dialysis bag or membrane bioreactor）

该反应器的优点是既可使细胞达到很高密度（细胞室内达108/ml），又可随意组合进行操作，达到保留和浓缩产品或及时分离提纯产品的目的。

5．固定床或流化床式生物反应器（fixed bed or fluidized bed bioreactor）

    此类反应器最早也是用于化学工业和废水的处理，以后才被开发用于动物细胞的培养，用以大量生产疫苗和基因工程产品。但当载体过大时，在载体内的细胞常因营养物和氧的交换不够充分而影响其生长和代谢。近年来出现的几种新型生物反应器，在细胞密度和生产效率方面都有了很大提高。

（1） Verax公司推出的CF—IMMO培养系统-级流化床生物反应器或SF—2000流化床生物反应器。该类反应器专用于比重较大的多孔微球的培养

（2）NBS公司在原来的笼式通气搅拌式反应器基础上，最近又开发出Celli gen plus生物反应器。该反应器实际上是将通气搅拌与固定床巧妙结合的一种新型生物反应器。

二、 动物细胞生物反应器的检测控制系统

为了使生物反应器的各项物化参数处在细胞培养和产物分泌的最佳状态，近代的生物反应器都装备有一系列的检测用的传感器（sensor）和控制系统。检测参数的全面性和控制系统的精确性反映了该生物反应器的水平。

1．培养过程中需检测的物化参数

无论是培养微生物还是培养动植物细胞，其所需检测的各种物化参数大致相同。其中有些参数可直接在线（in line）经传感器检出，如温度、pH、搅拌速度，溶氧等； 有些则需要取样离线（out line ）检测，如活细胞数，氨基酸浓度分析、葡萄糖、乳酸和氨离子的测定等；有的则需在检测后进行计算后才能获得，如细胞的群体倍增时间、细胞的比增长率、葡萄糖消耗率、乳酸产率、生物反应器生产率等。

2．主要参数的检测和控制方法

尽管测定的参数越多、越全面，对于了解动物细胞培养过程的优劣，以及用以优化培养工艺越有利。但并不是各种参数都同等重要，也不是每个生物反应器都必需具备能测定所有物化参数的能力。对于动物细胞来说，其中以温度、pH、溶氧（DO）、转速和进出液流量最为重要，控制了这些参数，加之培养基的成分（主要是葡萄糖和乳酸的浓度）和细胞密度，也就控制了其他各种参数和整个培养工艺。

（1）温度

（2）pH

（3）溶氧

对于动物细胞，由于它们对搅拌引起的剪切力和气泡都很敏感，因此要保持所需的溶氧比较困难。目前常采用的措施如下：

①改变进气的组成

②加大通气流量

③适当提高转速

④采用在反应器外通气

（4）搅拌   正如前述，搅拌的作用在于使罐内的物料充分混合，有利于营养物和氧的传递，因此在可能的情况下总希望采用较高转速。

（5）进出液流量   在半连续、连续和灌流培养过程中，都需要不断补充新鲜培养基，并抽出部分反应物。

一、简答题

1.动物细胞生物反应器必须具备哪些基本要求？
【答案】
①制造生物反应器所采用的一切材料，尤其是与培养基、细胞直接接触的材料，对细胞必须无毒性；
②生物反应器的结构必须使之具有良好的传质、传热和混合的性能；
③密封性能良好，可避免一切外来的不需要的微生物的污染；
④对培养环境中多种物理化学参数能自动检测和调节控制，控制的精确度高，而且能保持环境质量的均一；
⑤可长期连续运转，这对于培养动物细胞的生物反应器显得尤其重要；
⑥容器加工制造时要求内面光滑，无死角，以减少细胞或微生物的沉积；
⑦拆装、连接和清洁方便，能耐高压蒸汽消毒，便于操作维修；
⑧设备成本尽可能低；

2.动物细胞生物反应器必须具备哪些基本类型？
【答案】
①搅拌罐式生物反应器；
②气升式生物反应器；
③中空纤维式生物反应器；
⑤透析袋或膜式生物反应器；
⑥固定床或流化床式生物反应器；