我们之前曾撰写过文章，将一次性生物反应器与不锈钢或玻璃多次使用生物反应器进行比较。您可以阅读有关何时改用一次性反应器、单次使用在小规模生物工艺中的优势以及单次和多次使用生物反应器对环境的影响。在本文中，我们比较了以下混合技术：摇床、摇床和搅拌罐式生物反应器。在 Interphex 2021 上，我们有机会与 Kuhner Shaker 的工程师讨论了他们的新型摇床生物反应器，MicroDigital Co. 讨论了他们的一次性 Cel Bic 摇杆生物反应器，以及 Eppendorf 的搅拌罐式生物反应器。这些生物反应器技术中的每一种都可以与一次性或可重复使用的生物反应器一起使用，主要区别在于它们对培养物进行通气和混合的方法，以最大限度地将氧气从生物反应器环境转移到生长细胞中。
搅拌罐式生物反应器
搅拌罐式生物反应器是行业经典之作。它们通常是圆柱形的，包含至少一个将气体输送到培养基中的气体分布器，并利用叶轮混合细胞培养物并在整个生物反应器中分解/分配气泡。这些生物反应器可以是一次性的或不锈钢的。一次性反应器的容量范围约为 15 mL 至 2000 L，可重复使用的生物反应器可能高达 50,000 L。
优势
搅拌罐式生物反应器通常用于将生物过程从研发规模扩展到生产规模。因为它们经过时间考验并且最普遍可用，所以传质的数学、物理学和生物学是众所周知的。这些已知的混合原理有助于在搅拌罐式生物反应器中实现高效的气体转移。它们在广泛的作条件下也具有高度的柔韧性，这意味着它们可用于在低剪切应力下培养敏感的哺乳动物细胞，或用于培养某些需要极端温度和高压的真菌。
弊端
虽然鼓泡允许通过更大的体积转移氧气并且占地面积更小，但它不如通过顶部空间的氧气转移有效。另一个缺点是叶轮引入的剪切应力，在搅拌哺乳动物培养物时必须尽量减少这种应力。叶轮还会将泡沫引入生物反应器中，必须用消泡剂处理。最后，必须彻底清洁不锈钢生物反应器中的叶轮和分布器，以防止污染。
摇摆生物反应器
摇摆（或波）生物反应器也相当常见。它们通常是大型塑料一次性袋子，平放在轻轻摇晃的平台 （<100 rpm） 上。这些生物反应器通过顶部空间将氧气输送到细胞培养物中，并使用摇杆平台混合肉汤。摇摆式生物反应器最常用于实验室。由于它们效率高但占地面积大，因此也可用于小生产体积或用于更大的搅拌罐式生物反应器。
优势
大型、扁平、二维摇摆式生物反应器具有非常高的表面积与体积比，可实现高效的氧气传质。它们也比搅拌罐式生物反应器更温和，因为它们无需叶轮即可对培养物进行充分充气。最后，由于摇摆式生物反应器不使用分布器或叶轮，并且通常是一次性使用，因此它们易于清洁，几乎没有交叉污染的风险。
弊端
大型、扁平摇杆生物反应器不能很好地放大。它们的容量通常只有 5 到 100 L，其尺寸受氧气通过顶部空间的传输速率的限制。
摇床生物反应器
摇床生物反应器位于一个平台上，该平台通过圆周运动进行混合，小至 2D 圆圈，复杂至 3D 数字 8。与摇摆式生物反应器一样，它们完全通过顶部空间输送气体。
优势
旋转运动将细胞培养液向上移动到生物反应器的侧面，从而在容器侧面形成非常薄的流体层。这可实现最大的氧气转移，而无需占用大量空间。传质完全取决于通过顶部空间的气体流量，因此摇床生物反应器可以很好地线性扩展。
这种混合方法还减轻了剪切应力，使其非常适合哺乳动物细胞培养。
弊端
虽然摇床生物反应器解决了许多与鼓泡和推进相关的问题，但它们是一项更新的技术。与其他生物反应器类型相比，放大和氧传质的数学原理要鲜为人知。
摇床生物反应器，而不是摇床培养瓶
摇床培养瓶是一种低成本、易于使用的小规模实验室细胞培养选择。它们不能很好地扩展，因为它们缺乏生物反应器的完整传感器包，并且无法监测、控制和响应环境条件。摇床生物反应器完全传感器化且可扩展。
我应该使用哪种类型的生物反应器？
搅拌罐式生物反应器经证明具有良好的放大性，可以受到严格控制，并按照已知的传质原理运行。摇摆式生物反应器具有最有效的传质效果，但在放大过程中，占地面积很快就会成为一个问题。摇床生物反应器是一种较新的技术，但具有高效、高产量和线性放大的潜力。
根据所需的生产量和放大计划，不同类型的生物反应器在不同的开发阶段可能或多或少具有优势。选择针对每个开发阶段优化的生物反应器是一个可靠的策略。然而，选择不太适合早期阶段但可以轻松地从实验室扩展到生产规模的生物反应器可能是可行的。