一、生物反應器分類

目前，動物細胞培養用生物反應器主要包括：轉瓶培養器、塑料袋增殖器、填充床反應器、多層板反應器、螺旋膜反應器、管式螺旋反應器、陶質矩形通道蜂窩狀反應器、流化床反應器、中空纖維及其它膜式反應器、攪拌反應器、氣升式反應器等。

按其培養細胞的方式不同，這些反應可分為以下三類：

1.懸浮培養用反應器：如攪拌反應器、中空纖維反應器、陶質矩形通道蜂窩狀反應器、氣升式反應器;

2.貼壁培養用反應器：如攪拌反應器(微載體培養)、玻璃珠床反應器、中空纖維反應器、陶質矩形通道蜂窩狀反應器;

3.包埋培養用反應器：如流化床反應器、固化床反應器。

二、攪拌罐生長反應器

這是zui經典、zui早被采用的一種生物反應器。此類反應器與傳統的微生物生物反應器類似，真對動物細胞培養的特點，采用了不同的攪拌器及通氣方式。通過攪拌器的作用使細胞和養分在培養液中均勻分布，使養分充分被細胞利用，并增大氣液接觸面，有利于氧的傳遞。現已開發的有：籠式通氣攪拌器、雙層籠式通氣攪拌器、槳式攪拌器、海般式攪拌器等。

三、氣升式生物反應器

1979年應用氣升式生物反應器成功的進行了動物細胞的懸浮培養。氣升式生物反應器的話優點：

●罐內液體流動溫和均勻，產生剪切力小，對細胞損傷較小;

●可直接噴射空氣供氧，因而氧傳遞率較高;

●液體循環量大，細胞和養分都能均勻分布于培養液中;

●結構簡單，利于密封并降低了造價。

常用的氣升式反應器有三種：內循環式氣升式、外循環式氣升式、內外循環式氣升式生物反應器。

四、鼓泡式生物反應器

與氣升式反應器相類似，是利用氣體鼓泡來進行供氧及混合，其設計原理與氣升式生物反應器也相同。

五、中空纖維生物反應器

用途較廣，既可用于懸浮細胞的培養，又可用于貼壁細胞的培養。其原理是：模擬細胞在體內生長的三維狀態，利用反應器內數千根中空纖維的縱向布置，提供細胞近似生理條件的體外生長微環境，使細胞不斷生長。中空纖維是一種細微的管狀結構，管壁為極薄的半透膜，富含毛細管，培養時纖維管內灌流充以氧氣的無血清培養液，管外壁則供細胞黏附生長，營養物質通過半透膜從管內滲透出來供細胞生長;對于血清等大分子營養物，劃必須從管外灌入，否則會被半透膜阻隔不能被細胞利用;細胞的代謝廢物也可通過半透膜滲入管內，避免了過量代謝物對細胞的毒害作用。

優點是：

●占地空間少;

●細胞產量高，細胞密度可達109數量級;

●生產成本低，且細胞培養維持時間長，適用于長期分泌的細胞。

六、生物反應器的設計和放大 設計的總體考慮是：

①結構嚴密，能耐受蒸汽滅菌，采用對生物催化劑無害和耐蝕材料制作，內壁光滑*，內部附件盡量減少，以維持純種培養需要;

②有良好的氣-液接觸和液-固混和性能和熱量交換性能，使質量與熱量傳遞有效地進行;

③保證產物質量和產量前提下，盡量節省能源消耗;

④減少泡沫產生，或附有消沫裝置以提高裝料系數，并有必要可靠的參數檢測和控制儀表并能與計算機聯機。

生物反應器的放大一種新的生物技術產品從實驗室到工業生產的開發過程中，會遇到生物反應器的逐級放大問題，每一級約放大10～100倍。生物反應器的放大，表面看來僅是一個體積或尺度放大問題，實際上并不是那么簡單。

反應器放大研究雖已提出了不少方法，但還沒有一種是普遍都能適用的。目前還只能是半理論半經驗的，即抓住反應過程中的少量關鍵性參數或現象進行放大。

有關氧傳遞問題在生物反應器中，氧的傳遞速率要滿足細胞對氧的攝取速率，并使反應器中溶解氧的濃度CL要維持在一定水平上。這就是說，在穩態情況下，供氧與需氧間存在下列關系：KLa(C*-CL)=r

此處， KLa為氧的傳遞系數;C*為相當氣相氧分壓的溶氧濃度，CL為培養液中溶氧濃度，r為攝氧率。

影響供氧的因素從上式可知r=KLa(C*-CL);因此影響供氧的因素總體上講是KLa和C*-CL值。

要增大C*-CL，無非是增大C*值或降低CL值。增大C*的措施，有適當增加反應器中操作壓力和增大氣相中的氧分壓兩個方法。在實際操作中，反應器保持一定正壓，以防止大氣中的雜菌從軸封、閥門等處侵入，但在增加罐壓的同時，發酵代謝所產生的CO2也會更多地溶解于培養液而對發酵不利。至于CL值，一般不允許過分減小，因為細胞在生長中有一個臨界氧濃度，低于此臨界值，細胞的呼吸將受到抑制。

影響KLa的因素大致可分為三個方面：一是反應器的結構，包括相對幾何尺寸的比例;二是操作條件，如攪拌功率或循環泵功率的輸入量，通氣量等;三是培養或發酵液的物理化學性質，如流變特性，特別是其粘度或顯示粘度、表面張力、擴散系數、細胞形態、泡沫程度等。

生物反應器中的傳熱在細胞培養和發酵過程中，熱量的釋放是普遍存在的。這是因為在培養或發酵過程中細胞與周圍環境的物質產生新陳代謝，即發生異化(分解)作用和同化(合成)作用，而異化作用一般釋放能量，同化作用則是吸收能量。同化作用包括細胞生長、繁殖、產物形成所需能量來自細胞對培養基中的基質及營養成分的異化。從熱力學角度講，異化所產生能量必然應多于同化所需要能量，而多余的能量則轉化為熱能釋放到周圍環境中去。無論是涉及細胞或酶的反應中，釋放出的熱量都應及時移去，以免影響過程的正常進行，為此在生物反應器中一般都附有冷卻裝置。