王遠山，朱旭，牛坤，徐建妙

（1.浙江工業(yè)大學生物工程研究所，浙江杭州310032；2.浙江工業(yè)大學生物轉化與生物凈化教育部工程中心，浙江杭州310032）

一次性生物反應器的研究進展

王遠山1，2，朱旭1，2，牛坤1，2，徐建妙1，2

（1.浙江工業(yè)大學生物工程研究所，浙江杭州310032；2.浙江工業(yè)大學生物轉化與生物凈化教育部工程中心，浙江杭州310032）

對一次性生物反應器的發(fā)展歷程、特點、應用及放大等進行了綜述，重點介紹了波浪混合式、攪拌式和軌道振搖式三種一次性生物反應器，并對一次性生物反應器面臨的挑戰(zhàn)及其未來發(fā)展進行了展望。

一次性生物反應器；工作原理；應用；放大

一次性生物反應器（Disposable bioreactor或Single use bioreactor，SUB）是由美國食品藥品管理局（FDA）認證的塑料材料（聚乙烯、乙烯乙酸乙烯酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯等）制成，是一種即裝即用、不可重復利用的培養(yǎng)器［1］。首先，反應器預先滅菌，省去了SIP（在線消毒）和CIP（在線清洗），因此，可以快速地投入生產使用，進而縮短生產周期。并且，從生產質量管理規(guī)范（GMP）的角度來講，節(jié)約了高額的清潔驗證費用。同時，傳統(tǒng)不銹鋼反應器由于需要SIP和CIP環(huán)節(jié)，會造成大量水和能源的消耗，從而對環(huán)境有一定影響。相對而言，一次性生物反應器所產生的廢棄物對環(huán)境的影響小很多［2］。其次，一次性生物反應器一次性投入資金低，是許多中小型生物公司的較佳選擇。隨著生物技術的發(fā)展，企業(yè)產能增加，某些領域甚至超過了市場需求量，導致部分不銹鋼生物反應器的閑置浪費，而如果使用一次性生物反應器則可以較容易進行工藝轉換，用于其他藥品生產，最大限度地降低資金浪費。隨著多元化市場（抗體、細胞治療和基因治療等）的需求，特別是對于小規(guī)模生產高價值產品，一次性生物反應器的生產成本較不銹鋼生物反應器更低。另外，一次性生物反應器不僅可以提高生產有毒或傳染性的產品時的安全性，還可以降低生產多種產品時的交叉污染。

目前一次性生物反應器已廣泛應用于種子擴大培養(yǎng)，小到中試規(guī)模的哺乳動物細胞、植物細胞和昆蟲細胞的培養(yǎng)，單克隆抗體（monoclonal antibodies，MAbs）、疫苗和重組蛋白等的生產，并逐漸拓展到微生物發(fā)酵、藻類培養(yǎng)等領域。其最大的商業(yè)用途是用于種子擴大培養(yǎng)以及培養(yǎng)哺乳動物細胞生產抗體、疫苗等。另外，一次性生物反應器在大規(guī)模的菌株篩選及培養(yǎng)條件優(yōu)化中也逐漸得到廣泛應用。近年來，近77%的制藥公司及合同研究組織（Contract Research Organizations，CROs）已利用一次性生物反應器進行相關產品的開發(fā)［2］。可見，一次性生物反應器已成為生物制藥領域發(fā)展的一個重要方向。

1　一次性生物反應器的發(fā)展歷程、特點及其應用

1963年，F(xiàn)alch等使用由聚丙烯或聚四氟乙烯制成的既簡單又便宜的一次性四面體塑料袋在搖床上培養(yǎng)枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）、大腸桿菌（Escherichia coli）和粘質沙雷氏菌（Serratia marcescens），研究發(fā)現(xiàn)這種培養(yǎng)容器的曝氣效率是錐形瓶的三倍［3］。1972年，Knazek等開發(fā)的第一套中空纖維膜生物反應器實現(xiàn)了動物細胞的體外高濃度培養(yǎng)［4］。1975年，Nunc公司開發(fā)了更易于放大的Cell Factory反應器。在20世紀90年代，Cell Factory反應器不僅替代了滾瓶，而且研究表明其很適合符合GMP要求的疫苗和治療性蛋白生產。1995年，利用miniPERM和CeLLine一次性生物反應器在體外生產抗體等技術開始進入人們的視線，并且CeLLine因適合細胞的長期培養(yǎng)、篩選實驗及實驗室規(guī)模臨床前樣品的制備而廣受歡迎［5］。

1.1波浪混合式一次性生物反應器（Wave-mixed disposable bioreactor）

1996年，Singh發(fā)明了新型波浪混合式一次性生物反應器，帶來了細胞培養(yǎng)行業(yè)的革命。1998年，Wave Biotech公司推出了第一臺用于商業(yè)化生產的波浪混合式一次性生物反應器WAVE Bioreactor 20，從此，一次性生物反應器開始大規(guī)模應用。繼WAVE Bioreactor 20在哺乳動物細胞種子擴大培養(yǎng)中獲得成功后［6］，Wave Biotech公司于1999年推出了培養(yǎng)體積更大的WAVE Bioreactor 500［7］。早期的波浪混合式一次性生物反應器主要用于種子擴大培養(yǎng)，后來逐漸擴大到生產規(guī)模［8］。目前波浪混合式一次性生物反應器的最大培養(yǎng)規(guī)?？蛇_到500 L。當前主要的商業(yè)化的波浪混合式一次性生物反應器如表1所示（本文所有表中信息均來自于各供應商官網）。

表1　主要的商業(yè)化波浪混合式一次性生物反應器

波浪混合式一次性生物反應器的主要部件為一個已滅菌的一次性塑料細胞培養(yǎng)袋，以GEHealthcare公司生產的WAVE Bioreactor波浪混合式一次性生物反應器（如圖1）為例，使用時，該細胞培養(yǎng)袋中一半體積裝填培養(yǎng)基，另一半體積則充入由二氧化碳和氧氣組成的混合氣體，細胞培養(yǎng)袋上配備有除菌空氣過濾器、無菌取樣口等各種預留接口（如圖2）。其細胞袋安置在搖動平臺上，平臺的搖動使培養(yǎng)基產生波浪（如圖3），這些波浪給培養(yǎng)物提供充分的混合與氧氣傳遞，適合細胞的高密度培養(yǎng)。不同供應商生產的波浪混合式一次性生物反應器的平臺搖動方式及培養(yǎng)袋的設計有所不同。因為波浪混合式一次性生物反應器借助產生的波浪使細胞和顆粒物質離開底部并處于均勻懸浮狀態(tài)，所以不會對細胞造成剪切傷害，不僅克服了傳統(tǒng)攪拌式生物反應器攪拌槳槳葉端剪切力高的弊端，而且因為無須鼓泡，避免了消泡劑的使用。因此，波浪混合式一次性反應器較適合培養(yǎng)對剪切力敏感或在培養(yǎng)過程中容易產生泡沫的細胞。影響波浪混合式一次性生物反應器傳質的因素包括搖動速度、搖動角度、細胞袋的幾何特征、填充量、通氣速率、發(fā)酵液的粘度等。作為發(fā)展歷史最悠久的一次性生物反應器，波浪混合式一次性生物反應器擁有最大的市場占有率。

波浪混合式一次性生物反應器應用非常廣泛，主要應用于種子擴大培養(yǎng)［9］、對剪切力敏感的哺乳動物細胞［10］、植物細胞［11］和昆蟲細胞［12］的培養(yǎng)。波浪混合式一次性生物反應器也適用于厭氧或氧需求較低的微生物［13-14］的培養(yǎng)，據(jù)報道CELL-tainer生物反應器的體積溶氧系數(shù)（kLa）可以達到700 1/h，而對于其在氧需求量較高（kLa＞800 1/h）的微生物培養(yǎng)中的應用還需進一步研究［8］。同時，波浪混合式一次性生物反應器的應用也在逐步擴展到其他領域，如病毒生產［15］、雜交瘤細胞培養(yǎng)［16］、淋巴細胞培養(yǎng)［17］等。楊建軍等利用WAVE生物反應器灌注培養(yǎng)CHO細胞，發(fā)現(xiàn)CHO細胞密度高達2×107cells/mL時細胞仍處于指數(shù)生長期，可為生產罐提供種子細胞，擴增倍數(shù)可達1∶50～1∶100。該擴增方式可顯著減少種子罐的級數(shù)，最終減少生物制藥企業(yè)種子罐的購買投入、運行成本和維護成本，同時減少種子細胞的擴增時間，提高生產效率。并且該擴增方式也可適用于雜交瘤細胞、昆蟲細胞等懸浮培養(yǎng)方式的種子細胞的擴增［18］。Clincke等在WAVE生物反應器中灌注培養(yǎng)CHO細胞，其最大細胞密度首次超過了2.14×108cells/mL［10］。Hillig等分別利用CELL-tainer生物反應器和傳統(tǒng)的不銹鋼生物反應器培養(yǎng)微藻（Crypthecodinium cohnii）生產二十二碳六烯酸（docosahexaenoic acid，DHA），研究發(fā)現(xiàn)，雖然二者得到的生物量和DHA濃度相當，但由于不銹鋼攪拌反應器中泡沫和生物膜的形成，導致其比一次性生物反應器中的生物量減少了35%，DHA產率減少了21%。由于CELL-tainer生物反應器中沒有泡沫和生物膜的形成，且能提供充足的氧傳質速率，因此，可以用CELL-tainer生物反應器替代不銹鋼攪拌反應器培養(yǎng)微藻［19］。Wang等使用WAVE bioreactor 20/ 50 EHT生物反應器培養(yǎng)穩(wěn)定轉染的果蠅S2細胞生產人單克隆抗體，灌注培養(yǎng)時的最大活細胞密度達到1.04×108cells/mL，最大抗體產率達到1437 mg/（L·day），表明該生物反應器適合大規(guī)模培養(yǎng)穩(wěn)定轉染的果蠅S2細胞生產人單克隆抗體［12］。Junne等利用CELL-tainer生物反應器以補料方式培養(yǎng)E.coli，成功將培養(yǎng)體積從12 L放大至120 L，最大細胞干重達到了45 g/L［14］。

圖1　商業(yè)化的WAVE Bioreactor波浪混合式一次性生物反應器

圖2　WAVE Bioreactor波浪混合式一次性生物反應器的Cellbag細胞培養(yǎng)袋示意圖

圖3　WAVE Bioreactor波浪混合式一次性生物反應器的搖動平臺示意圖

1.2攪拌式一次性生物反應器（Stirred disposable bioreactor）

雖然攪拌式一次性生物反應器出現(xiàn)較晚，但其發(fā)展速度很快。2004年，Hyclone公司推出了第一臺攪拌式一次性生物反應器，最大工作體積為250 L。2006年，攪拌式一次性生物反應器的最大工作體積已達到1 000 L。2007年，GE發(fā)布了專門用于微生物發(fā)酵的攪拌式一次性生物反應器Xcellerex XDR-50 MO。2009年，攪拌式一次性生物反應器的最大工作體積達到了2 000 L。如今，攪拌式一次性生物器已成為應用最廣泛的一次性生物反應器。當今市場上主要的商業(yè)化的攪拌式一次性生物反應器如表2所示。

攪拌式一次性生物反應器的設計基于傳統(tǒng)不銹鋼材質攪拌生物反應器，不同的是其培養(yǎng)容器使用的是塑料材料。用于中試和生產規(guī)模的攪拌式一次性生物反應器，以Sartorius Stedim Biotech公司生產的BIOSTAT STR攪拌式一次性生物反應器（如圖4［5］和圖5）為例，其培養(yǎng)容器一般是塑料材質的經預滅菌的生物反應袋，且有外部支撐容器來放置該生物反應袋，而用于實驗室規(guī)模的攪拌式一次性生物反應器，以Eppendorf公司生產的New Brunswick CelliGEN BLU攪拌式一次性生物反應器（如圖6）為例，其培養(yǎng)容器則是經預滅菌的硬質塑料材質罐體，其外形接近于傳統(tǒng)的不銹鋼攪拌反應器。由于配備葉輪，容易引起局部剪切力較高，因此攪拌式一次性生物反應器一般用于培養(yǎng)強健且穩(wěn)定的細胞。如表2所示，商業(yè)化攪拌式一次性生物反應器不僅種類和供應商較多，而且工作體積范圍廣，最大的工作體積達2 000 L。攪拌式一次性生物反應器的發(fā)展迅速主要有兩個原因，一是與攪拌式一次性生物反應器對應的可重復利用的攪拌式生物反應器是生物技術生產過程中使用最普遍、培養(yǎng)條件較容易優(yōu)化的傳統(tǒng)生物器類型，并且有利用傳統(tǒng)攪拌生物反應器培養(yǎng)細胞經驗的公司更傾向選擇相對應的攪拌式一次性生物反應器，因此，其市場需求也會相對較大；二是傳統(tǒng)攪拌式反應器長期的使用經驗和豐富的理論知識對攪拌式一次性生物反應器的發(fā)展和放大起到了非常重要的作用。攪拌式一次性生物反應器由于易于放大，且培養(yǎng)條件和傳統(tǒng)攪拌式生物反應器相似，因此，其商業(yè)化應用最廣。

表2　主要的商業(yè)化攪拌式一次性生物反應器

攪拌式一次性生物反應器主要應用于哺乳動物細胞培養(yǎng)［20］，也逐步用于植物［11］、昆蟲細胞培養(yǎng)［21］、人體干細胞培養(yǎng)［22］等。對于微生物培養(yǎng)，雖然攪拌式一次性生物反應器的對流換熱系數(shù)比傳統(tǒng)不銹鋼反應器低很多，熱交換能力也還有待提高，但其完全可用于種子擴大培養(yǎng)［23］。對于原核微生物發(fā)酵，目前Xcellerex XDR攪拌式一次性生物反應器已實現(xiàn)的最大培養(yǎng)規(guī)模為500 L。Paul等利用1 000 L S.U.B生物反應器培養(yǎng)CHO細胞，發(fā)現(xiàn)S.U.B中的CHO細胞的代謝特征、產率及產品質量與100 L傳統(tǒng)不銹鋼反應器相似，當工作體積為1 100 L時，得到了7.5 kg抗體?？梢?，一次性生物反應器將可以替代不銹鋼生物反應器培養(yǎng)CHO細胞生產抗體［20］。Dreher等利用BIOSTAT STR 50生物反應器高密度培養(yǎng)E.coli和Pichia pastoris，發(fā)現(xiàn)E.coli的光密度（OD600）可達175（細胞干重為60.8 g/L），P.pastoris的細胞濕重可達381 g/L，為目前使用一次性生物反應器發(fā)酵的最高水平［23］。

圖4　Sartorius Stedim Biotech BIOSTAT STR攪拌式一次性生物反應器示意圖

圖5　商業(yè)化的Sartorius Stedim Biotech BIOSTAT STR攪拌式一次性生物反應器

圖6　商業(yè)化的New Brunswick CelliGEN BLU攪拌式一次性生物反應器

1.3軌道振搖式一次性生物反應器（Orbital shaken disposable bioreactor）

軌道振搖式一次性生物反應器的發(fā)展速度相對較慢。2001年，Liu等首次使用軌道振搖式一次性生物反應器培養(yǎng)動物細胞、雜交瘤細胞和昆蟲細胞［24］。2004年，Jesus等首次使用商業(yè)化的TubeSpin生物反應器培養(yǎng)CHO細胞。由于TubeSpin生物反應器簡易的操作和取樣方法，避免了大量操作上的失誤，有利于精確分析，還可以快速獲得最優(yōu)工藝條件［25］，因而沿用至今。2009年，Zhang等開發(fā)了2 000 L軌道振搖式一次性生物反應器，成功將CHO細胞培養(yǎng)體積放大至1 000 L［26］。目前商業(yè)化的軌道振搖式一次性生物反應器最大工作體積可以達到2 500 L，同時也是目前為止一次性生物反應器所能達到的最大工作體積。十多年來，軌道振搖式一次性生物反應器經歷了從第一次概念驗證到工藝系統(tǒng)的建立，成為一次性生物反應器的第三大群體。當今市場上主要的商業(yè)化的軌道振搖式一次性生物反應器如表3所示。

軌道振搖式一次性生物反應器依靠一次性塑料材質的培養(yǎng)容器圍著中央軸心旋轉，在液體中心形成漩渦，振蕩液體在反應器壁形成薄膜。薄膜被頂部空間的氧氣所飽和，然后此薄膜迅速與液相主體相結合［14］，進而通過表面通氣和快速的混合提供較強的氧氣輸送能力。軌道振搖式一次性生物反應器由于表面通氣避免了泡沫的生成，并且與攪拌式一次性反應器相比，軌道振搖式一次性生物反應器的培養(yǎng)容器里由于不含有價格昂貴的攪拌和曝氣裝置，因此其不僅對細胞剪切傷害小，同時具有操作簡單和成本效益高等優(yōu)點，這一特點和波浪混合式一次性生物反應器類似。對于小規(guī)模的軌道振搖式一次性生物反應器，其培養(yǎng)容器一般為塑料材質的微孔板、微孔培養(yǎng)盒、旋轉管等；對于稍大規(guī)模的軌道振搖式一次性生物反應器，以Adolf Kühner AG公司生產的OrbShake SB 200-X軌道振搖式一次性生物反應器（如圖7）為例，其培養(yǎng)容器為一次性塑料袋。軌道振搖式一次性生物反應器區(qū)別于波浪混合式一次性反應器和攪拌式一次性反應器的特點是流體運動的確定性良好，使其具有很高的平行使用性。因此，軌道振搖式一次性生物反應器廣泛應用于大規(guī)模的菌株篩選及培養(yǎng)條件優(yōu)化，并逐步擴大至生產規(guī)模。

表3　主要的商業(yè)化軌道振搖式一次性生物反應器

軌道振搖式一次性生物反應器主要應用于氧需求較低的動物細胞和植物細胞的培養(yǎng)［27］。雖然市場上存在的軌道振搖式一次性生物反應器種類有限，且其商業(yè)應用也相對較少，但其剪切力低和操作簡單方便的特點使其在實驗室得到廣泛應用，如動物細胞［28］、微藻［29］、昆蟲細胞、植物細胞［30］、微生物［31］等的培養(yǎng)。Stettler等利用TubeSpin生物反應器研究了29種培養(yǎng)基和20種蛋白水解液對3種CHO細胞的生長及其重組蛋白表達的影響。研究發(fā)現(xiàn)，由于每個TubeSpin系統(tǒng)的物化條件都相同，因此當改變某一參數(shù)時，得到的評估結果具有很高的可信度［28］。Raven等利用SB200-X生物反應器培養(yǎng)煙草細胞（BY-2）生產人IgG抗體M12，并進行放大實驗，研究發(fā)現(xiàn)，在放大過程中，除了細胞的生長過程有些滯后以外，SB200-X生物反應器中細胞的生長以及產物的累積情況都和搖瓶培養(yǎng)相似。此研究成功使BY-2細胞的培養(yǎng)體積放大到100 L，細胞濕重達到387 g/L（干重17.8 g/L）［30］。

圖7　商業(yè)化的Adolf Kühner AG OrbShake SB 200-X軌道振搖式一次性生物反應器

根據(jù)市場研究咨詢公司MarketsandMarktes的報告，到2019年，一次性生物反應器市場將從2.025億美元（2014年）增加至4.709億美元，復合年增長率達18.4%。如表4所示，除上述三種一次性生物反應器外，供應商們針對空缺或不足的的應用領域開發(fā)了種類繁多的一次性生物反應器，以應對日益增長的市場需求。

2　一次性生物反應器的放大

生物反應器的放大，即將培養(yǎng)過程從實驗室規(guī)模逐步放大到生產規(guī)模，同時也是生物反應過程的放大。它是生物反應器開發(fā)和設計過程中的重要組成部分，也是生物技術成果實現(xiàn)產業(yè)化的關鍵。對同一培養(yǎng)過程，雖然使用不同規(guī)模的反應器所進行的生物反應是相同的，但混合狀態(tài)、傳質與傳熱速率卻不完全相同，造成了細胞生長與代謝產物生成速率存在一定差異。其中，傳質過程是放大的核心問題，而傳質問題高度依賴于培養(yǎng)規(guī)模和空間梯度。因此，在生物反應放大過程中，如何估計在不同規(guī)模反應器中生物反應的狀態(tài)以及維持細胞生長與生物反應速率相似，以創(chuàng)造相同或相似的培養(yǎng)環(huán)境，這就需要進行生物反應器的放大［32］。由于出色的開發(fā)及設計原則，傳統(tǒng)的不銹鋼攪拌式生物反應器在商業(yè)應用中能安全地進行過程放大，經過三十幾年的發(fā)展，其已成為放大的黃金標準。但是，市場上主要的一次性生物反應器各自都有自己的特點，或多或少的與不銹鋼攪拌式生物反應器在結構上存在一定的差異，因此一次性生物反應器放大變得更復雜，同時存在一定的安全風險。典型的放大主要基于生物反應器的幾何相似（高徑比）以及工程參數(shù)（單位體積的功率輸入（P/VL）、kLa、攪拌器尖端速度（utip）、攪拌時間等）進行。對于微生物培養(yǎng)，熱交換面積可作為放大標準；對于細胞的微載體培養(yǎng)，其懸浮狀態(tài)也可作為放大標準。因此，對一次性生物反應器的工程特征及參數(shù)越了解，放大就相對更加容易。在放大過程中，不可能保持所有的參數(shù)恒定，因此，在保證某一參數(shù)恒定時，其他參數(shù)會有一定程度的折中。

表4　其他已商業(yè)化的一次性生物反應器

典型的放大標準并不適用于波浪混合式一次性生物反應器。波浪混合式一次性生物反應器的放大主要依靠培養(yǎng)經驗以及對反應器的了解程度進行反復試驗而實現(xiàn)放大。Pierce等分別利用WAVE20/50EH、WAVE 200和WAVE 1000生物反應器灌注培養(yǎng)人視網膜細胞系P6A2生產AZIL2B蛋白，細胞系在不同大小反應體系中以相似方式增殖和生產，只需調整工作體積，就可使系統(tǒng)成功從25 L放大到500 L［33］。

對于基于傳統(tǒng)不銹鋼材質生物反應器設計的攪拌式一次性生物反應器而言，其放大可依賴于已經建立的典型的放大標準，如高徑比、P/VL、utip、混合時間，kLa等。因而，攪拌式一次性生物反應器從實驗室放大到生產規(guī)模相對于其他一次性生物反應器較易。Dreher等利用BIOSTAT STR生物反應器培養(yǎng)哺乳動物細胞，嘗試了以P/VL、攪拌速度等作為放大標準對工藝進行放大，發(fā)現(xiàn)以P/VL為放大標準進行放大時效果最好，當將培養(yǎng)體積從50 L放大到2 000 L，利用大泡通氣時，kLa達到23 1/h，利用微泡通氣時，kLa達到40 1/h［34］。

軌道振搖式一次性生物反應器的混合、通氣和功率輸入原理和搖瓶相似，因此將培養(yǎng)條件從搖瓶放大到軌道振搖式一次性生物反應器相對于放大到其他一次性生物反應器更容易。在軌道振搖式一次性生物反應器中，由于kLa隨反應器工作體積的增加而降低，因此，實現(xiàn)較高的氧傳遞速率（OTR）是成功放大的關鍵之一。Zhang等首次定量測定了軌道振搖式一次性生物反應器的kLa，研究發(fā)現(xiàn)當振蕩速度為39 r/m，工作體積為1 000 L時，回旋式振蕩一次性生物反應器的kLa可達10 1/h，證明了CHO細胞培養(yǎng)體積可以放大至1 000 L［26］。

3　挑戰(zhàn)與展望

一次性生物反應器的進一步發(fā)展所面臨的主要挑戰(zhàn)為反應器規(guī)模的限制以及膜的溶出物和析出物所帶來的問題。目前一次性生物反應器的最大規(guī)模為2 500 L，進一步放大的主要限制因素是當前應用的一次性材料（如PVC，PVA和LDPE等）承受不了持續(xù)高壓。但隨著細胞培養(yǎng)技術的不斷改進，細胞密度與產品表達濃度的成倍增加，可能小體積的生物反應器就能達到生產規(guī)模。目前，GE公司正在開發(fā)5 000 L一次性生物反應器，預期其生產強度可與10 000～25 000 L的傳統(tǒng)生物反應器相媲美。另外，近幾年，細胞治療技術在臨床治療中扮演著越來越重要的角色，為一些難治性的疾病提供了一種選擇，有時甚至是最后的選擇，顯示出了其不可替代的優(yōu)勢。而由于其個性化、個體化的特點，決定了較小的培養(yǎng)體積就能滿足生產要求，因此，一次性生物反應器在生產規(guī)模方面的限制將會越來越小。用于細胞培養(yǎng)的一次性塑料袋和培養(yǎng)物接觸時可能會釋放溶出物，這些溶出物一旦進入培養(yǎng)基中，將會阻礙細胞的生長，而目前尚未有一個標準測試方法能適用于檢測不同膜的溶出物，因此，Eibl等提出了一種標準的細胞培育測試方法，即使用CHO XM 111-10細胞系結合ChoMaster? HP-1培養(yǎng)基（Cell Culture Technologies，Switzerland）測試膜的溶出物，可以及早確定在無蛋白及血清培養(yǎng)基或合成培養(yǎng)基（chemically defined culture media）中培育CHO細胞的風險［35］。

其次，由于塑料材質有限的熱交換能力以及相對于傳統(tǒng)不銹鋼反應器較差的傳質能力，一次性生物反應器主要還是用于哺乳動物細胞培養(yǎng)。對于一些對傳質要求較高的微生物，一次性生物反應器的實際應用較少，但其完全可用于對于氧需求較低的細菌和酵母等微生物的培養(yǎng)。而且如果能夠在細菌和酵母中實現(xiàn)對真核蛋白進行正確的糖基化等翻譯后加工，一次性生物反應器在微生物培養(yǎng)領域將會有更大的應用空間［8］。目前市場上針對微生物培養(yǎng)開發(fā)的一次性反應器種類越來越多，也暗示了其潛在的市場需求。

另外，以下問題也不可忽視。首先，相對于傳統(tǒng)不銹鋼反應器，一次性生物反應器產生的液體廢物極少，但一次性材料丟棄后產生的固體廢物也不容忽視，目前尚未找到一種較好的方法來處理這些固體廢物。其次，由于一次性產品需要重復購買，因此不僅要求供貨商提供可持續(xù)的供應鏈，還要求用戶需要留出一定的空間來儲存這些一次性易耗品。再次，一次性傳感器的發(fā)展遠遠滯后于一次性生物反應器，其靈敏度較低，檢測范圍較窄。對于一些低附加值的生物產品而言，限制一次性生物反應器應用的主要原因是其成本問題。隨著技術的發(fā)展，這些問題將會得到解決。

近年來，全球已有超過50個單抗品種或項目使用一次性生物反應器生產。一次性生物反應器在西方國家已得到廣泛應用，亞洲國家如中國雖然才剛剛起步，但已呈現(xiàn)出良好的發(fā)展趨勢。藥明康德公司已建成分別使用500 L和1 000 L一次性生物反應器的兩條獨立細胞培養(yǎng)生產線，并于2013年在2 000 L一次性生物反應器（Thermo Fisher Scientific）中成功復制了傳統(tǒng)不銹鋼生物反應器中的細胞培養(yǎng)生產工藝，使用NS0小鼠骨髓瘤細胞株完成了首批艾滋病治療單克隆抗體藥物ibalizumab（TMX-355）的試生產。此外，喜康生物醫(yī)藥、上海復宏漢霖生物技術有限公司等超過20家國內生物醫(yī)藥企業(yè)也在使用一次性生物反應器生產單抗類產品?？梢?，一次性生物反應器將在生物制藥過程中得到更加廣泛的應用。

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（責任編輯：朱小惠）

Research progress in disposable bioreactor

WANG Yuanshan1，2，ZHU Xu1，2，NIU Kun1，2，XU Jianmiao1，2
（1.Institute of Bioengineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310032，China；2.Engineering Research Center of Bioconversion and Biopurification of Ministry of Education，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310032，China）

The development，characteristics，applications and scale-up of disposable bioreactor were summarized in this review.The wave-mixed，stirred and orbital shaken disposable bioreactors were elaborated.The challenges and future prospects of disposable bioreactor were also discussed. Keywords：disposable bioreactor；development；characteristics；applications；scale-up

Q81

A

1674-2214（2015）03-0056-09

2015-05-21

國家級精品課程建設計劃；國家級精品資源共享課程建設計劃；浙江工業(yè)大學重點教材建設項目

王遠山（1971—），男，安徽毫州人，副教授，博士，研究方向為生物催化與生物轉化，E-mail：yuanshan@zjut. edu.cn.