In case you’ve ever questioned how scientists choose which one to employ, this guide explains everything.
Let’s examine each of these procedures and discover why fed-batch bioreactors are frequently the preferred option in contemporary biomanufacturing and how they are particularly useful in intricate processes like the production of high-value goods, including biopharmaceuticals.
微生物学中的生物反应器是什么？
生物反应器是一种容器，它为细菌、真菌或哺乳动物细胞等细胞的生长提供理想的条件，从而使它们产生特定的产品。
Consider it a carefully regulated “breeding ground” for cells — where nutrients, pH, oxygen, and temperature are all carefully regulated. These regulated settings are vital to disciplines like genetic engineering, biochemistry, and microbiology. In these disciplines, they are necessary for the production of everything from vaccines to biofuels.
为了使科学家能够大规模开发微生物或细胞，生物反应器被设计用于扩大生物反应。许多行业依靠生物反应器系统来大量生产生物产品。
那么生物反应器是如何工作的呢？
操作生物反应器的 3 个主要程序
批量处理、补料批量处理和连续处理是三种主要程序。每种程序都有其特殊优势，可根据产品要求进行选择。
这些方法在提供营养和维持细胞活性、影响产量和工艺管理方面各不相同。以下是三种主要策略，以及它们为何对当代生物制造至关重要的解释。
1. 批处理
In a batch process, a bioreactor is initially filled with cells and a predetermined quantity of nutrients. Over time, the cells use these resources to produce the required product (such as metabolites, proteins, or enzymes). The batch is “harvested,” and the production of a fresh one starts after the nutrients have been consumed.
尽管批处理由于其简单易管理而受到青睐，但它也有缺点。
批处理的优点包括：
- 控制：操作员可以毫不费力地关注整个过程，而不必一直进行修改，因为所有内容都是一次性添加的。
- 降低污染危险：由于批量系统是封闭的，因此污染的可能性较低，这对于一次性或一次性使用的生物反应器特别有用。
- 设置简便：与连续系统相比，批处理过程更易于设置，并且所需的设备也更少。
批处理的缺点
- 产量有限：营养耗尽后，细胞就会停止生产。所以你必须重新开始。
- 效率低下：只要一个步骤延迟，整个过程就会停止，从而降低产量。
- 批次之间重新消毒和清洁设备可能会导致停机时间增加。
总而言之，批处理具有一定的作用，特别是在小规模生产中。尽管如此，补料分批和连续工艺的效率要高得多。
2. 补料分批处理
在煮汤时添加添加剂类似于补料分批处理。从少量营养物质开始。然后，在整个过程中，逐渐添加更多营养物质。这使得更好地控制细胞发育和产品产量成为可能。
By regulating the input of nutrients, a fed-batch bioreactor maintains the cells’ viability and productivity. This process is the preferred option for industrial enzymes and biopharmaceuticals since it is especially efficient in creating complicated bioproducts.
补料分批生物反应器的独特之处
- 营养水平的适应性调节：补料分批系统允许操作员根据需要喂养细胞，从而优化生产环境。
- 提高产量：由于营养水平可以一直保持，补料分批生物反应器的产量通常比分批操作更高。
- 减少有害副产品的积累：通过逐步添加营养物质，减少有毒副产品的产生（例如酵母发酵过程中的乙醇），可以生产出更高质量的产品。
补料分批生物反应器广泛应用于需要较长生产时间的过程，例如酶、抗体和生物燃料的合成。
此外，高密度 补料分批培养这对于制造大量商品是必不可少的，而这种技术使这些要素成为可能。
深入了解补料分批生物反应器的应用
生物制药行业的核心是补料分批生物反应器。例如，补料分批生物反应器对于单克隆抗体的合成至关重要。这些抗体用于治疗癌症等疾病。
Actually, almost 70% of the world’s monoclonal antibody manufacturing results from fed-batch bioreactor applications. Insulin, vaccines, and other therapeutic proteins are also made using this technique.
此外，由于成本效益取决于产量优化，因此在生物燃料的生产中采用补料分批生物反应器。
3. 连续加工
在连续过程中，废物和产品同时从生物反应器中排出，同时不断补充营养物质。通过这种方法，细胞以恒定的速率持续生产所需产品，保持稳定状态。
汤锅的原料来源无穷，产量稳定，相当于连续加工。该技术非常适合生产必须大量生产的工业酶或生物燃料。
连续处理的好处
- 提高生产力：由于流程永不停止，连续系统会随着时间的推移生产出大量的产品。
- 连续生物反应器提供的稳定条件可维持一致的产品质量。
连续加工困难：
- 复杂性：持续的系统运行需要持续的观察以维持稳定的环境。
- 成本高：一般来说，连续工艺所需的技术和设备成本较高。
- 污染风险：特别是在制药应用中，由于过程永不停止，因此污染可能更难控制。
由于效率高，连续加工越来越受到欢迎，可用于生产需求量很大的产品。在生物制药领域，由于其复杂性和成本，连续加工不如补料分批加工那么受欢迎。
批量生产、补料批量生产和连续生产之间的主要区别
The choice between batch, fed-batch, and continuous systems has a direct impact on output, whether you’re growing cells to make life-saving medications or fermenting microbes to produce bioethanol.
以下是这些技术之间的主要区别，以便您可以了解为什么补料分批生物反应器是当代生物制造中特别灵活和有效的选择。
1.营养添加
在批量生产过程中，整个生产周期所需的所有营养物质都在开始时添加。当细胞停止生长，营养物质耗尽时，该过程就结束了。虽然这种方法很简单，但它只允许将初始供应的营养物质用于生产。
相比之下，补料分批生物反应器可以在生产过程中逐渐添加营养物质。营养物质是逐渐添加的，并且以可控的量添加，而不是一次性添加，这样可以保持细胞的活性并延长其生长时间，从而最大限度地提高产量。
In continuous processing, waste and products are eliminated as new nutrients are continuously added. This maintains the cells’ stability so they can keep proliferating and developing indefinitely without stopping.
2. 流程长度
Because nutrients aren’t renewed throughout a batch process, its duration is constrained. Batch processing is brief and necessitates numerous restarts to sustain production because the process stops when the original nutrients are exhausted.
由于营养物质是按需供应的，补料分批工艺可以持续更长时间。细胞可以继续发育并产生所需的输出，而不会快速耗尽资源。这允许更长的生产时间。
只要生物反应器得到妥善维护，连续工艺就可以无限期地持续下去。这种配置可以实现连续生产，非常适合高需求产品。
3. 细胞生长的调节
在批量生产过程中，细胞增殖几乎不受控制。没有办法根据细胞活动来调整营养水平，因为所有营养都是在开始时提供的。当营养变得稀缺时，生长就会减慢并最终停止。
通过稳定调整营养水平，补料分批生物反应器可以更好地控制细胞发育。操作员可以利用这种灵活性延长生产时间并保持最佳生长率，从而最大限度地提高产量。
由于废物和营养物不断保持平衡，连续加工可提供最高水平的控制。尽管它需要复杂的监控和变化，但这种稳态环境提供了稳定的发展速度和一致的产品质量。
4. 产品效率及良率
由于批量生产受初始营养供应的限制，产品产量适中。由于每批生产后都需要重新启动系统，因此生产效率可能会降低。
与批处理过程相比， 补料分批系统产量更高。补料分批生物反应器通过长时间维持活跃细胞生长来提高总体产量。这在生物制药等高风险应用中尤其有利。
由于生产过程永不停歇，连续过程能够实现最佳产量。连续过程通过保持恒定的产量，随着时间的推移最大程度地提高效率。只要废物处理和营养水平得到适当维持，情况就会如此。
5. 副产品累积
由于营养物质在批量操作中消耗殆尽，副产品可能会累积起来，影响最终产品的质量。生产力可能会受到限制，因为废物会累积到批量完成为止。毕竟，整个循环只需添加一次营养物质即可完成。
补料分批生物反应器通过逐渐供应营养来减少不良副产物。为了维持更健康的细胞环境和更高质量的产品，操作员会调节进料速率以避免有害副产物的积累。
连续过程通常积累的副产品最少，因为废物会随产品一起被连续消除。这种配置有助于为细胞分裂和增殖保持理想的环境。
6. 操作简单
Batch processing is an excellent option for smaller or simpler tasks because it is simple to set up and operate. There is less of a requirement for technical expertise because it doesn’t require sophisticated equipment or monitoring.
分批进料生物反应器稍微复杂一些，因为它们需要调节营养添加。它们仍能达到良好的平衡，提供更高的产量，而无需像连续系统那样进行严格的管理。
为了维持稳定状态，需要连续监控连续过程（最复杂）。它们很难运行，需要复杂的系统来平衡废物清除、肥料添加和产品质量。
7. 最佳用途
批量处理：适用于较简单或小规模的生产要求，例如初步研究、早期产品开发或适度的生产数量。
补料分批工艺：对于生产高价值、优质的生物产品（如生物制药、酶和生物燃料），补料分批生物反应器是首选。补料分批系统具有高生产率和适应性，最适合复杂的生物制造工艺。
连续过程：当大规模、高需求应用（如工业酶或生物燃料的制造）需要稳定、大批量生产时，最优选该过程。
子生物反应器在现代生物制造中的作用
在许多过程中，细胞最初在辅助生物反应器（称为子生物反应器）中生长，然后再转移到更大的主生物反应器中。
子生物反应器用于补料分批培养和连续培养，以“引发”细胞，使其在大量培养时达到生长阶段。
组装的子生物反应器降低了废物率并提高了总体效率，有助于在进入下一级之前确定最佳条件。
补料分批生物反应器工艺的真实示例
The fed-batch bioreactor has a wide application in the food industry, biofuels, and medicinal industries. Let’s examine a few actual instances in more detail:
- 药物：在制造用于治疗癌症和自身免疫性疾病的单克隆抗体等生物制药方面，补料分批工艺仍然是一个关键组成部分。例如，可以采用补料分批方法以提高抗体的生产率。
- 生物燃料：补料分批生物反应器现在对于乙醇等生物燃料的生产非常重要。该程序有助于大幅提高特定生物质的燃料产量，从而降低成本。
- 食品和饮料：与其他发酵系统相比，补料分批系统是理想的选择，因为控制发酵速率可确保啤酒、酸奶等生产的质量。
为什么补料分批生物反应器将继续存在
补料分批生物反应器介于批量处理和连续处理之间，由于其相对通用和一次性生物反应器用途，因此仍然适用于各种行业。
总体而言，补料分批生物反应器似乎在更高的产量和更多的控制之间提供了显著的折衷，而没有连续处理的问题。
当营养浓度必须改变时，补料分批系统可以最有效地提高细胞密度或产品质量。这一点至关重要，因为生物制造的核心是生产药物、可持续生物燃料和其他物品。
Advanced Bioreactor Systems and Biomanufacturing’s Future
生物反应器创新的进步为未来的连续和补料分批系统创造了新的潜力。
生物反应器因监控和人工智能的自动化以及通过实时数据分析而不断发展，从而可以进一步控制细胞形成和产品质量。
随后，补料分批系统和其他 一次性生物反应器 开放式系统也在复杂性方面得到发展。新型现代化系统配有传感器系统来控制 pH 值、温度和所需营养物，并且可以即时进行更改。
通过这种整合，正在开发更智能的“生物反应器”，以进一步提高产量和效率。
总之
归根结底，每种生物加工技术都有其作用。了解您的独特需求和局限性至关重要。尽管补料分批生物反应器是目前最受欢迎的选择，但它并不总是所有情况下的最佳选择。
Remember that understanding and streamlining your process is more important for bioprocessing success than simply selecting the appropriate technology. The fundamentals are the same whether you’re using a contemporary single-use bioreactor or a conventional stainless steel setup.
从可靠的批量程序到先进的补料分批生物反应器系统和有前景的连续操作，每种方法都推动着生物技术的发展并提高我们的生活质量
Keep in mind that there isn’t a one-size-fits-all approach to bioprocessing. The optimal procedure is the one that satisfies your unique requirements.
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