生物反應器（Bioreactor）是一種利用生物體（如微生物、動物或植物細胞、酶等）進行生化反應的設備，其核心原理是通過控制環境條件（如溫度、pH、溶氧、營養物質等）來優化生物體的代謝活動，從而實現目標產物的高效生產。以下是其核心原理與應用的詳細解析：
一、核心原理
生物催化基礎
利用酶或活細胞作為催化劑，在溫和條件下（常溫常壓）高效催化特定反應，如發酵、蛋白質表達、廢物降解等。
例如：大腸桿菌表達重組胰島素、酵母發酵生產乙醇。
物質傳遞與混合
傳質：確保氧氣、營養物質均勻分布到生物體（如好氧發酵需持續供氧）。
混合：通過攪拌（機械攪拌反應器）或氣流（氣升式反應器）避免濃度梯度，提高反應效率。
環境參數控制
溫度：影響酶活性和細胞生長速率（如哺乳動物細胞培養需37℃）。
pH：通過酸堿調節維持較適范圍（如細菌發酵通常pH 6.5-7.5）。
溶氧（DO）：好氧過程需實時監測（如抗生素生產需高溶氧）。
營養物質：碳源（葡萄糖）、氮源（銨鹽）等按需補充。
動力學與過程優化
通過Monod方程等模型描述細胞生長與底物消耗的關系，優化產物得率。
二、主要類型
攪拌釜式反應器
較常見，通過機械攪拌混合，適用于高密度培養（如單克隆抗體生產）。
氣升式反應器
無機械攪拌，依靠氣體上升驅動循環，剪切力低，適合植物細胞培養。
固定化生物反應器
生物催化劑（酶或細胞）固定在載體上，可重復使用（如固定化酶生產高果糖漿）。
膜生物反應器（MBR）
結合膜過濾與生物反應，用于污水處理（如MBR技術去除COD）。
三、應用領域
醫藥工業
疫苗與抗體：CHO細胞生產單抗（如赫賽汀）。
基因工程藥物：大腸桿菌表達人胰島素。
食品與飲料
發酵食品：酸奶（乳酸菌）、啤酒（酵母）。
食品添加劑：谷氨酸鈉（味精）、檸檬酸。
環境工程
廢水處理：活性污泥法降解有機物。
生物修復：利用微生物降解石油污染。
能源與化工
生物燃料：藻類反應器生產生物柴油。
生物基化學品：1,3-丙二醇（PDO）生產可再生塑料。
農業與組織工程
植物組織培養：大規模生產脫毒苗。
人造肉：動物細胞培養生成肌肉組織。
四、挑戰與發展趨勢
挑戰
規模化放大時的傳質與熱力學限制。
高附加值產物（如mRNA疫苗）的純化成本。
前沿方向
智能化控制：AI實時優化反應參數。
連續培養系統：替代傳統批次培養，提高效率。
合成生物學應用：設計定制化微生物底盤細胞。