您应该了解的有关生物反应器及其工作原理的一切

什么是生物反应器？生物反应器是指任何提供生物活性环境的制造或工程设备。

工业微生物学和生物技术领域最重要的技术进步之一是生物反应器的发明。为什么？它们使我们能够制造出疫苗、激素和酶等重要的医疗产品，其中一些产品可以治疗严重的慢性病。这些坚实而深厚的系统是医学领域进步的基础。

因此，无论个人职业选择如何，有关生物反应器的知识对于当代科学技术来说都至关重要。

本文讨论了各种生物反应器的类别、它们的工作原理以及从中受益的行业。读完本文后，您将了解什么是生物反应器，以及为什么它是未来科学和技术进步中如此重要的工具。

那么什么是生物反应器以及它如何发挥作用？

什么是生物反应器？

生物反应器是一种医疗设备，用于容纳活微生物并为这些微生物提供有利的生长环境。本质上，生物反应器模拟这些微生物的真实环境条件，目的是根据需要生产某些有机化合物。没有生物反应器，这些微生物就无法生存，因此其重要性不可低估，尤其是在医学领域。

So how does it achieve this? It is a closed-loop system in the sense that external factors are not allowed to influence the environments inside a bioreactor. Therefore, the nutrients, pH, temperature, dissolved oxygen concentration, and other nutritional content of the bioreactor must be regulated and constantly adjusted to mimic actual environments of these microorganisms’ natural habitat.

但为什么生物反应器是必要的呢？因为它们可以生产出重要的医疗化合物，而这些化合物原本是不可能实现的。这些化合物包括疫苗、生长激素，甚至 透明质酸这对于美容和改善皮肤柔软度尤其重要。

生物反应器的 5 个关键功能

生物反应器的首要作用是为生物体提供最佳生长、繁殖或合成必需物质的条件。要做到这一点，必须充分了解生物反应器的组件及其工作原理。

1. 受控环境条件

生物反应器的设计目的是在受控环境中容纳活体生物，并在完全储存的条件下生长发育。如果没有生物反应器，这些微生物就无法在其环境之外生存，因此我们将永远无法生产重要的医疗化合物。

必须监测空气温度、pH 值、溶解氧、二氧化碳浓度、硝酸盐、磷酸盐、氨和钾，并且在大多数情况下进行控制，以确保最佳开发条件。

这些参数由实时生物传感器控制，确保生物体保持正确的功能状态并生产出正确的产品。管理这些品质是企业决策的重要因素，尤其是在医疗、生物燃料和食品加工行业。

2. 搅拌和混合

生物反应器使用混合和搅拌过程来帮助细胞吸收生物反应器内的营养物质和气体（例如氧气）。如果没有这一功能，生物体可能需要很长时间才能吸收必要的营养物质，或者在最坏的情况下，因缺乏营养或气体交换不足而死亡。

气升式生物反应器通过产生气泡进行培养混合，而搅拌槽式生物反应器使用机械叶轮。搅拌连续进行，以便整个系统内进行细胞分裂和产物形成。

3. 无菌

无菌性在避免生物反应器中出现不良微生物感染方面起着重要作用，这种感染可能会毁掉整批生物产品。每次使用生物反应器之前都应进行灭菌，这就是为什么它们经过精心设计以确保无菌性。

This keeps the process’s integrity and the end product’s quality intact by guaranteeing that only the desired organisms flourish within. Contamination prevention is essential, particularly in sectors where purity and uniformity are vital, such as the pharmaceutical industry.

4. 气体交换

微生物需要足够的气体交换才能茁壮成长。它们需要能够获得氧气并能够轻松排出二氧化碳。生物反应器通过改善氧气分布和二氧化碳去除来协助实现这一点。为什么这很重要？

Without this ability, the carbon dioxide inside the bioreactor would accumulate and lower the tank’s PH, making it acidic. This would in turn affect the proliferation of cells and reduce their efficiency.

因此，生物反应器具有两个重要特征。喷射器和膜。喷射器有助于向培养物中添加微小的氧气泡，而膜则可以调节氧气输送和二氧化碳去除。

这种气体交换系统可确保生物体获得最佳运作所需的氧气，同时排出有害气体，从而支持高产量和高效生产。

5. 监控和反馈

仅仅拥有生物反应器并让它发挥作用是不够的。你必须不断监测它并检查各种参数，如氧气水平、PH、温度、营养浓度。因此，生物反应器配备了生物传感器，用于收集这些重要指标的数据。

每种培养物都有其自身的最佳参数，必须不断检查和审查。通常，这些传感器被设计为自动收集这些信息并进行相应调整，以创造最适合细胞生长和生产力的环境。这种反馈机制确保生物反应器即使在没有人不断调整环境的情况下也能有效工作。

5 种主要类型的生物反应器

生物反应器并非都是一样的。有 5 种 不同类型的生物反应器 取决于其应用。每种生物反应器都针对特定的工艺类型量身定制。每种生物反应器的设计和构建质量完全取决于培养的生物类型和预期结果。

让我们研究一下最常见的生物反应器种类。

1. 玻璃生物反应器

玻璃生物反应器 广泛应用于实验室的研究、小规模生产和测试。

优点：

• 可见性：由于材料透明，观察内部生物过程非常简单。
• 多功能性：可适应不同的工艺，并提供机械驱动或磁力搅拌等多种配置。
• 无菌性：许多模型允许现场灭菌以防止污染。

缺点：

• 规模：不适合大规模工业生产，仅限于小型企业。
• 易碎性：与不锈钢等材料相比，玻璃更易碎。

2. 不锈钢生物反应器

由于其坚固性和耐高压能力， 不锈钢生物反应器 在大规模工业生产中经常使用。

优点：

• 耐用性：不锈钢制成的生物反应器足够坚固，可以承受长期使用和高压程序。
• 可扩展性：适合大规模生产；常用于发酵和制药。
• 清洁度：保持工业环境中的无菌性需要轻松清洁和消毒不锈钢。

缺点：

• 成本：与较小或一次性生物反应器相比，它的建造和安装成本更高。
• 复杂的维护：这可能需要更长的时间才能完成，因为它需要更严格的清洁和验证程序。

3.搅拌罐生物反应器（STR）

它们是最著名的，许多人都喜欢它们。它们有一个圆柱形罐子，中间有一个叶轮或搅拌装置。叶轮不断搅动里面的液体，确保生物、气体和营养物质均匀分布。

优点：

• 非常适合工业生产。
• 出色的营养物质混合和氧气运输。
• 可轻松从小规模研究项目扩展到大规模制造业务。

缺点：

• 对于哺乳动物细胞等精细生物体，机械搅拌可以产生剪切应力。
• 由于采用机械搅拌机制，能耗较高。

4. 气升式生物反应器

In lieu of mechanical agitation, airlift bioreactors mix using air or gas bubbles. A circulation loop is created in the liquid medium by introducing gas at the reactor’s bottom. The contents mix due to the velocity of the bubbles, which releases oxygen and encourages cell growth.

优点：

• 降低剪切应力，适合敏感细胞。
• 与机械搅拌系统相比，它更节能。

缺点：

• 与带有搅拌槽的生物反应器相比，混合效率降低。
• 扩大规模以用于制造业更具挑战性。

气升式生物反应器 在涉及敏感生物的操作以及植物和动物细胞的培养中经常发挥作用。

5.膜生物反应器

膜生物反应器使用半透膜将生物细胞和它们产生的产物分开。这种结构在需要持续分离的程序中被证明特别有利，例如废水处理，当清水流过膜时，生物质被保留下来。

优点：

• 细胞与效果良好的产品分离。
• 在正在进行的运营中表现出卓越的产出和效率。

缺点：

• It’s necessary to clean or replace membranes on a regular basis when they get fouled.
• 与架构更简单的生物反应器设计相比，它的运行成本更高。

5 生物反应器的应用

我们已经了解了什么是生物反应器以及它是如何工作的，现在是时候了解一下它的广泛应用了。生物反应器是几个正在经历根本性变革的行业的核心，从改善可持续能源解决方案到改变药品的生产。

生物反应器通过生产可以拯救生命的药物、利用生物能源以及推进生态负责的废物管理，对未来产生了重大影响。

1. 药品和疫苗生产

生物反应器最大的市场之一是制药行业。在生物反应器中培养的基因改造细胞用于生产许多救命药物，包括胰岛素、单克隆抗体和疫苗。

例如，为了大规模培养所需的细胞，生物反应器技术对于 COVID-19 疫苗的开发和批量生产至关重要。可以在生物反应器中培养产生特定蛋白质、酶或其他药物的微生物或转基因哺乳动物细胞。

通过传统化学程序通常不可能大规模生产的复杂生物药物现在因此而有可能生产。

2. 生物燃料

随着世界转向更可持续的能源，生物反应器在生物燃料生产中变得越来越重要。藻类、酵母或细菌等微生物可以在生物反应器中生长，它们将有机物质转化为乙醇、生物柴油甚至氢气等生物燃料。

生物反应器生产的生物燃料是化石燃料的可再生替代品，可以显著减少温室气体排放。例如，藻类可以在光生物反应器中培养，藻类在光生物反应器中进行光合作用并产生脂质，然后可以转化为生物柴油。这些过程被视为未来向更清洁能源过渡的关键。

3. 食品和饮料

工业发酵发酵是微生物分解糖类以生产啤酒、葡萄酒、酸奶和面包等产品的过程，长期以来一直是食品和饮料行业的主要产品。这种古老的方法因生物反应器而得到提升，生物反应器可精确控制发酵条件，从而获得始终如一的高品质和风味。

例如，这些发酵生物反应器，有时被称为 工业发酵罐，用于酿酒业，通过在理想环境中培养酵母，有效地将糖转化为酒精。乳制品生产中的生物反应器使牛奶大规模发酵，制成奶酪和酸奶等发酵产品。

4.废水处理

环境工程需要生物反应器，尤其是用于废水净化的生物反应器。例如，膜生物反应器用于通过培养分解有机废物的细菌来净化工业和污水废水。经过这种处理的水可以安全地再利用或排放到环境中。

当这些系统中的微生物分解废水中的有机化合物并产生安全的副产品时，就可以实现这一点。这种方法以有效且环保的方式减少了危险化学品和能源密集型处理。

5. 组织工程与再生医学

生物反应器用于组织工程，在支架上培养细胞以形成组织或整个器官。这些生物反应器提供与人体相似的受控环境，使细胞能够增殖并转化为有价值的组织。

借助这项技术，受损的组织或器官有朝一日可能会被再生医学领域实验室培育的替代品所取代。例如，生物反应器已被用来生成肝组织、软骨和心脏瓣膜，给需要器官移植但长期等待的患者带来了希望。

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