生物反應器是指利用為細胞或細菌等微生物進(jìn)行生化反應提供良好反應環(huán)境的設備。生物反應器中的微生物處在一個(gè)穩定的培養環(huán)境中，并能得到培養介質(zhì)的循環(huán)供給。生物反應器的設計與開(kāi)發(fā)除需符合GAMP5與ASME BPE等標準的相關(guān)規定外，還需了解所選用的pH、溫度、氧需求、生長(cháng)率等微生物培養條件，以及最終產(chǎn)品的表達和濃度。
生物反應器裝備裝有很多在位傳感器和一個(gè)界面友好、變量操控靈活的數字控制系統，允許控制許多可變量參數，包括溫度、攪拌轉速、pH、溶解氧的濃度等。理想的高性能生物反應器應具有非常低的全混時(shí)間以及非常高的氣液傳遞等特征，除了監控參數外，高性能生物反應器還配置了在線(xiàn)分析儀對重要的培養變量進(jìn)行頻繁監控。圖1是一個(gè)典型的生物反應器系統示意圖，該設備的重要培養變量能夠高頻率計量（30～1000 h-1），其它培養參數則可以較低頻率自動(dòng)取樣測量（1～3 h-1）。
生物反應器可以實(shí)現質(zhì)量穩定的連續培養，并對進(jìn)料流量進(jìn)行測量，它能夠以不同的稀釋倍率（精度在0.005 h-1）工作，通過(guò)培養基補料的適當設計可實(shí)現利用單一的組件完成諸如葡萄糖或氨等進(jìn)液的操作。生物反應器具有氣體混合后的通氣功能，通過(guò)混合進(jìn)氣比例的變化對過(guò)程產(chǎn)生影響，例如，生長(cháng)中的氧濃度以及產(chǎn)品動(dòng)力學(xué)可提供在同一特定生長(cháng)率的研究。利用計算機對培養參數的控制，可以對工藝進(jìn)行高重復性的實(shí)驗，對細胞反應基質(zhì)是一個(gè)極為重要的了解手段。
生物反應器的生物安全等級（BL）由最終用戶(hù)依照相關(guān)標準制定，各房間的操作要求（例如取樣廢氣排放，凝聚物和培養基廢棄處理）都要保證操作者和環(huán)境的安全。根據病原對微生物活細胞的危險，生物安全等級（BL）分成3個(gè)安全等級空間，包括BL1-LS、BL2-LS和BL3-LS，病原危險越高、在設計和設備運行時(shí)要求房間的安全等級就越高。對于等級BL2和BL3的產(chǎn)品，添加輔料、取樣和收獲需使用密閉操作系統，污染凝聚物需收集到指定的滅活罐進(jìn)行后續處理，培養結束后，生物反應器的罐體和管道需得到及時(shí)的清洗與滅菌處理。為避免取樣操作帶來(lái)雜菌污染，側壁取樣閥需采用封閉的取樣裝置（圖2）。
制造生物反應器的罐體材料分為高分子、玻璃或不銹鋼，高分子材質(zhì)的生物反應器為一次性產(chǎn)品，玻璃材質(zhì)罐體可以經(jīng)高壓滅菌，而不銹鋼罐體通過(guò)蒸汽在線(xiàn)消毒。
生物反應器一般為圓柱體，安裝有攪拌器、夾套和絕緣層，大小從幾升到幾千升不等，罐體夾套用于維持最佳培養溫度。由于通氣、攪拌及泡沫的影響，罐體中液位以上的頂部空間常為工作體積的 20～30%；為滿(mǎn)足在線(xiàn)滅菌的要求，生物反應器設計壓力為-1～3bar，工作溫度為143℃；設備內表面拋光度為電拋光Ra<0.4μm，以保證產(chǎn)品接觸表面易于清洗；罐體的開(kāi)孔數量、位置與類(lèi)型取決于培養過(guò)程的原輔料添加（酸堿度、溫度控制媒介、消泡劑和培養基等）和總預期的儀表控制（壓力、液位、溫度、pH和O2探頭等），圖4是生物反應器罐體的通用設計要求。
高徑比是罐體工作高度與內徑的比例，大的高徑比意味著(zhù)更優(yōu)的氧和熱傳遞。耗氧發(fā)酵每分鐘需要消耗大約液體體積1～1.5倍體積的氣體，因此，要求罐體寬高比大于1.5，而且為了達到高的氧傳遞，攪拌系統一般選用多個(gè)葉輪，較低位置的葉輪用于產(chǎn)生徑向流并保證足夠的剪切分散空氣氣泡；上部的葉輪能產(chǎn)生軸向流并進(jìn)行大工作量的攪拌。通常，底部與上部葉輪之間的距離為罐體直徑的2/3。為產(chǎn)生適合大量攪拌的軸向流，以及由于細胞敏感性限制的低剪切力，細胞生物反應器的罐體高徑比要求為1:1，攪拌系統需選用單一的葉輪。
攝氧速率（OUR）是指維持細胞生長(cháng)及單位細胞量必需的氧氣量，OUR可以通過(guò)實(shí)驗獲得。首先測量飽和發(fā)酵培養基中溶解氧，然后測量微生物耗完氧氣的速率；氧傳遞速率（OTR）是指氧氣由氣相傳遞至液相的速率。通常情況下，生物反應器的設計要求能提供足夠的氧，而沒(méi)必要在必需時(shí)給生物體（尤其是在指數生長(cháng)期）提供最大的氧氣量。由于OTR受攪拌程度和通氣量的影響，因此，在生物反應器放大時(shí)需要考慮如下幾個(gè)因素：
通氣量：如果空氣中氧含量低于21%，可以輸入純氧作為氣源；
攪拌功率：加大輸入功率可以保證更多的氧由氣相傳遞至液相；
壓頭：壓頭增加可以增加OTR，同時(shí)還能避免泡沫的產(chǎn)生；
分布器的類(lèi)型和位置：安裝于最低葉輪下面的分布器可向生物反應器中輸入空氣或無(wú)菌氣體，其最佳的安裝位置為葉輪直徑的3/4，如果分布器的位置距離葉輪太遠，空氣氣泡就會(huì )在散開(kāi)之前重新聚合。
模塊化設計能提前繪制焊點(diǎn)圖，具有按圖組裝、質(zhì)量穩定、即插即用、能滿(mǎn)足工廠(chǎng)測試FAT、節省占地面積、美觀(guān)大方、形式多樣且便于操作等優(yōu)點(diǎn)。生物反應器需按照3D設計圖紙進(jìn)行組裝（圖5），每套設備均可按照客戶(hù)實(shí)際需求進(jìn)行量身定制。
生物發(fā)酵的在線(xiàn)檢測技術(shù)及控制是非常重要的過(guò)程，菌體制備、初級或次級代謝產(chǎn)物以及轉化技術(shù)都是在人為給予最佳環(huán)境的培養條件下實(shí)現的。對微生物生長(cháng)的外部物理條件、化學(xué)條件以及物料中生物學(xué)條件的調控是一個(gè)復雜的過(guò)程工程，目的是利于產(chǎn)物的生成。
發(fā)酵參數檢測反饋的大量信息有助于更好地理解培養過(guò)程，并對工藝進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。生物發(fā)酵工程需要測量控制的物理參數包括攪拌轉速、罐壓、物料溫度、通氣量、發(fā)酵液總質(zhì)量、粘度、進(jìn)液流量與累積量等；生物發(fā)酵工程需要測量控制的化學(xué)參數包括pH、pO2、CO2粘度、Kla氧呼吸速率、碳源、氮源、菌體濃度、尾氣排放氧/二氧化碳分壓、呼吸商以及酶的比活力、物料消耗速率與產(chǎn)物生成速率等。
發(fā)酵液pH的精確控制對細胞生長(cháng)及產(chǎn)物的形成非常重要，發(fā)酵過(guò)程中，細胞或基質(zhì)的消耗會(huì )導致培養液發(fā)生pH變化。生物反應器使用可耐受高溫滅菌的pH傳感器，多為組合式探頭，由玻璃電極和參比電極組成（帶有內部電解液與參比電解液），在線(xiàn)測量通過(guò)電極側面多孔塞上的液體結合點(diǎn)與培養液接觸。pH電極的測量范圍為0～14，精度±0.01～0.05。pH傳感器的電極內容物會(huì )隨高溫滅菌以及使用時(shí)間不斷變化，每批次發(fā)酵滅菌前后均需用標準緩沖液給予校準。
培養液的溶解氧濃度（DO）直接影響細胞的生長(cháng)，溶氧濃度過(guò)低會(huì )限制細胞供養速率，導致生長(cháng)速率降低與代謝流向的改變。發(fā)酵中隨著(zhù)細胞的生長(cháng)，菌體濃度增大，使得呼吸和耗氧速率加快，這一過(guò)程需要加大攪拌速率、通氣量預計OTR氧傳導速率。以基因重組大腸桿菌的流加培養為例，在一定速率的葡萄糖流加條件下，通過(guò)系統控制不斷給予正/負脈沖信號對流加速度進(jìn)行連續的修正�？赏ㄟ^(guò)觀(guān)察溶氧濃度的瞬時(shí)脈沖響應，將葡萄糖濃度大致控制在臨界值范圍之內，使細胞生長(cháng)速度處于最佳狀態(tài)，并對其代謝副產(chǎn)物給與抑制。發(fā)酵中常用的極譜電極為電化學(xué)測量方式，即使用只有O2可滲透的膜將發(fā)酵液與電化學(xué)電池分隔，DO傳感器主要結構包括膜、電解液膜、陰極、絕緣體、陽(yáng)極和電解液等。 現代發(fā)酵工業(yè)的生化反應過(guò)程控制完全依賴(lài)于計算機控制系統的應用，通過(guò)可靠的數據采集系統對生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)操控和優(yōu)化，保障整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程不出現偏差。計算機的過(guò)程信息數據儲存功能可以方便進(jìn)行工藝數據比較分析，可在線(xiàn)校正傳感器信息與識別傳感器性能的變化。目前，生物發(fā)酵工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程計算機控制是集散型控制系統（DCS），DCS集中了連續控制、批量控制、順序邏輯控制與數據采集功能的計算機綜合控制管理系統。
