生物反應器的案例
中國生物化工簡史-生物反應器工程
生物反應工程：生物反應過程的產品包括，生物質，酶，初級和次級代謝產物，蛋白，這些可以廣泛用于制藥、食品，化學，農業或能源生產。反應器，胞外環境因素，包括反應器設計，操作條件和培養基形式，對細胞代謝都有重要影響。目前，生物反應器工程的目標是，探索反應器中細胞生理代謝機制，放大生物過程，滿足低成本生產。
中國生物反應器工程前沿
生物反應過程是一個活細胞的復雜的代謝過程。因此，反應器工程的核心是調控反應器中活細胞的生理狀態。調控也是優化和放大的關鍵。因此，鑒定反應器中細胞的生理和代謝參數，設計合適的生物反應器系統，是優化生物反應器工程的先決條件。
1. 中國科學家的突破
生物反應歷程中，反應器的控制條件會影響細胞微尺度代謝，也會影響宏觀尺度代謝。因此，為了提高反應器的性能，進行了微觀和宏觀尺度的代謝流分析。為了放大生物過程，細胞的生理代謝狀態必需要在實驗室規模反應器進行重現和優化。為了達到這個目的，必需進行大反應器的流體場特性的研究，來理解不同反應器設計和控制條件導致的差異。宏觀生理特性變化分析+流體場和細胞生理代謝特性，可以增強反應器放大過程。
下圖是研究者提出的一個生物反應器增效的技術路線。
上面的這些圖片都是基于生物反應器工程的多尺度理論。
2. 開發可以監測所有宏觀生理和代謝特征的參數的生物反應器
2003年，華東理工大學張嗣良教授和儲炬教授，設計了一款全參數監測反應器，含有一臺反應器，一臺電腦數據收集系統，設計圖如下所示。體積可以從幾十升到300噸。通常，實驗室研究使用的30L或50L的體積可以直接應用到300噸的工業發酵。
3. 海量數據過程軟件包的開發
生物反應器配備自動電腦數據采集系統，實現在線數據監測和采集過程參數。數據采集和電腦控制形成了一個完整的控制系統。
展開 科學家用硅材料3D打印出新型生物反應器 或讓肢體再生
目前，科學家最新設計一種生物反應器，可以通過“啟動”身體組織來修復截肢部位，并在非洲爪蛙得以驗證。這項研究發表在近期的《細胞報告》雜志上。
研究報告合著作者、美國塔夫斯大學艾倫探索中心發育生物學家Michael Levin說：“通常情況下，成年爪蛙只能重新長出一根沒有生物特征的細長軟骨刺，我們的手術就是激活它們從未出現過的再生反應，從而形成更大、更具結構特征的附體。這種生物反應器裝置引發非常復雜的肢體再生，是生物工程師無法直接微處理實現的。”
科學家使用硅材料3D打印這種生物反應器，在里面填充水凝膠。他們在水凝膠中加入促進愈合和再生的蛋白質，然后加入黃體酮。黃體酮已被證實可以促進神經、血管和骨組織修復。
研究人員將這些爪蛙分成了3組：實驗組、控制組和對照組。在控制組和對照組中，當爪蛙被截肢后，立即對它們縫合了生物反應器。而在實驗組爪蛙中，不僅縫合了生物反應器，還要求生物反應器將黃體酮釋放到截肢部位。24小時之后，所有爪蛙都被移除了生物反應器。
他們在9.5個月的時間里不同時間段，實驗組爪蛙的生物反應器似乎引發了某種程度的肢體再生，但在其他兩組中未觀察到該現象。
Michael Levin說：“生物反應器將對截肢傷口創建一個支持性環境，身體組織可以像胚胎階段那樣生長發育。非常短暫的生物反應器應用，載荷物質將引發幾個月的組織和結構生長。”
此外，不同于控制組和對比組，接受生物反應器治療的實驗組爪蛙的再生肢體更結實，骨骼更發達，神經和血管組織分布更廣泛。通過分析水池中爪蛙的視頻，他們注意到再生肢體爪蛙游動狀況更接近正常未截肢爪蛙。
展開 膜生物反應器應用領域
（4）反應器內微生物的代謝特性及其對出水水質、污泥活性等的影響，從而確定適宜的微生物生長及代謝條件。
（5）工藝經濟性研究。在目前國內經濟發展水平、膜產品供應狀況和規范設計要求的條件下，MBR用于污水處理的最大經濟流量的確定。
（6）以節能、處理特殊水質對象、兼具脫氮除磷、操作維護簡便、可以長期穩定運行等為目標，開發新型的膜生物反應器。
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制藥 | GSK借助仿真技術更快地為患者提供關鍵藥物
推動生物制藥進行大規模生產
除了建立細胞系之外，GSK DSD團隊還負責開發可擴展、穩健高效的上游和下游流程，并將這些流程轉移到商業化制造規模。
他們選擇自己的細胞系，并在15毫升的生物反應器中啟動培養，但最終需要將其規模擴展到2,000升的生物反應器。生物過程的規模擴展無法進行預測，不僅要考慮生物反應器尺寸之間的差異，還必須考慮細胞對變化的敏感性。
雖然DSD團隊使用預測性建模來預測生產流程，但仍然幾乎不可能將每個參數都考慮在內。過程中，需要嚴格控制細胞系和生物反應器條件，否則細胞系可能會死亡，而這將導致DSD團隊重新開始生產。
以小尺度開發的預測性模型需要額外（通常成本高昂）的測試，才能校準更大規模的生產，而構建詳細的容器模型可能需要第三方專有數據。DSD團隊還需要將其解決方案中的代碼，從用于細胞培養生物反應器建模的gPROMS軟件中導出。
DSD團隊使用Ansys Fluent計算流體力學（CFD），對GSK生物反應器中和不同條件下的水動力學輪廓圖進行建模。基于CFD的研究對于建立更優的、大型生物反應器的縮小模型至關重要，以便能夠以更低成本、更高效的實驗手段推進產品開發。
GSK助理數據科學家Luisa Attfield表示：“從根本上來說，使用結合了CFD的代謝模型來查看小規模數據如何應用于更大的規模，比真正地在小規模中模擬2,000升的條件要容易得多。”
Ansys Fluent中15毫升和2,000升CFD生物反應器模型的對比
DSD團隊利用CFD模型在Ansys Twin Builder數字孿生仿真軟件中創建了靜態降階模型（Static ROM），以預測各個規模下的特定輸出，主要是體積傳質系數（kLa）。
展開 
抗疫應用 | 推動疫苗進行大規模生產
從實驗燒杯到生物反應器，擴大疫苗生產對全球人口疫苗的接種至關重要。在大多數情況下，疫苗的研發始于實驗室工作臺上的小燒杯，然后迅速擴展疫苗的研發工作，最初是為了滿足臨床試驗的要求，后來經批準，是為了使數十億人都獲得免疫力。當然，理想狀況是我們可以簡單地研制能夠混合更多疫苗的“更大燒杯”。但遺憾的是，由于非線性物理定律控制著流體的流動，因此擴大疫苗生產需要的不僅僅是擴大燒杯的尺寸：還需要更多的工業設備和操作參數。擴大疫苗生產是一個高風險的過程：生物反應器設計或操作不當，可能導致長達數月的延誤，以及價值數百萬美元的原材料浪費。工程師使用經現場測試的Ansys計算流體動力學（CFD）仿真來擴大生物反應器的規模，以用于疫苗生產及其他應用。
解決方案
成功的疫苗生產需要有效混合。Ansys Fluent和Ansys CFD求解在生物反應器中發生的復雜流動問題。這種仿真功能已在整個行業中得到廣泛應用，用來降低風險，提高生物反應器的生產規模。常見的生物反應器產能擴充問題包括：
Ansys Fluent生物反應器的混合時間仿真。酸性物質（藍綠色）與容器的大部分容積相混合
混合時間仿真是成功混合的通用指標，會對生物反應器的整體性能產生影響。混合時間通常用于確保營養成分的添加不會使細胞培養的pH發生太大的局部變化，也支持非牛頓流體的仿真。對單位體積功耗、湍流、旋流、剪切率、速度和其他基本生物反應器擴大生產因素進行了預測，并可通過混合時間分析來對其進行優化。
展開 27種反應器的結構及原理，你想了解的都在這里
但由于旋流反應器傳遞特性的研究涉及化學、流體力學、傳熱傳質等多門學科,難度較大,所以其工作機理研究進展較慢。
2、環流反應器
環流反應器綜合了鼓泡塔和機械攪拌釜的優良性能,具有反應速度快、結構簡單、無機械傳動部件以及易于工程放大等優點,是一類高效的氣液接觸反應設備。環流反應器包括上升管、下降管、氣液分離器和底部連接段4部分。
3、多相組合膜生物反應器
多相組合膜生物反應器是一種將膜分離技術與傳統污水生物處理工藝有機結合的新型水處理與回用設備。精細化工生產過程中排出的有機物質大多有毒且難以降解，嚴重危害環境，因此化工廢液的處理日益得到廣泛關注。
多相組合膜生物反應器技術通過膜組件的高效分離作用，極大提高了分離效率，同時膜的隔離過濾作用為之后的生物反應提供了質量分數較高的原料，如在固液分離中,膜生物反應器中活性污泥的質量濃度可達到(20000～30000)mg/L，由于具有如此高的生物量，因此膜反應器對有機物的降解能力非常顯著，在國內外再生水處理工程中得到了推廣應用。
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展開 氣體質量流量控制器MFC4000系列在生物發酵行業中的應用
在生物發酵行業中，氣體質量流量控制器（Mass Flow Controller，MFC）作為關鍵設備，發揮著不可替代的作用。這一高精度的流量測量與控制裝置，確保了生物反應器內氣體環境的精確調控，為微生物的生長和代謝提供了穩定、可靠的條件，從而顯著提升了生物發酵過程的效率和產品質量。工采網將探討生物發酵行業的需求與挑戰、MFC的應用優勢、具體應用場景，并重點介紹美國Siargo公司的MFC4000系列氣體質量流量控制器。
一、生物發酵行業的需求與挑戰
生物發酵是一種利用微生物在特定條件下，通過代謝作用將原料轉化為所需產物的過程。為了保證微生物的正常生長和高效代謝，必須嚴格控制發酵罐內的氣體環境，包括氧氣、氮氣、二氧化碳等氣體的精確供應和排放。傳統的氣體流量計因精度和穩定性不足，已難以滿足現代生物發酵行業的需求。隨著發酵工藝的不斷進步，對氣體流量控制的精度和穩定性要求越來越高，因此，高端氣體質量流量控制器應運而生，成為生物發酵行業不可或缺的設備之一。
二、氣體質量流量控制器MFC4000系列的應用優勢
?高精度與重復性?：MFC能夠精確測量和控制氣體的質量流量，不受溫度、壓力變化的影響，確保了發酵過程中氣體供應的準確性和穩定性。這對于微生物的生長和代謝至關重要，直接影響到產品的質量和產量。MFC4000系列采用了先進的時域傳感技術，其量程比高達100:1，使得控制更加精確和可靠。
?易于維護與操作?：現代MFC多采用智能化設計，具備遠程監控和控制功能，可大幅降低人工操作難度和維護成本。MFC4000系列氣體質量流量控制器采用智能電子技術，提供了簡潔的操作界面和友好的用戶體驗，使得操作人員能夠輕松上手，快速掌握使用技巧。
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展開 生物制藥材料
細胞體外培養基本條件:①無菌②營養充足,防止有害物質③氧氣④隨時清除代謝有害物質⑤良好的生存外環境：pH、滲透壓、離子濃度⑥及時分種，適當的細胞密度
無血清培養基優點：①提高重復性（細胞）②減少微生物污染（病毒）③供應充足穩定④細胞產品易純化⑤避免血清因素對細胞的毒性⑥減少血清中蛋白對生物測定的干擾
培養基及其組成（1）無機鹽（2）碳源（3）植物生長調節劑（5種天然激素：生長素、分裂素、赤霉素、脫落酸、乙烯 ）（4）有機氮源（5）維生素。
植物細胞大規模培養生物反應器的類型（1）.機械攪拌式生物反應器（2）.鼓泡塔生物反應器（3）.氣升式生物反應器（4）.轉鼓式生物反應器（⒌）固定化細胞生物反應器。.
酶化學修飾的方法：1.酶的表面化學修飾：（1）大分子修飾。（2）小分子修飾 。（3）交聯修飾。（4）固定化修飾。2.酶分子內部修飾 ：⑴非催化活性基團的修飾。⑵蛋白主鏈的修飾。（3）催化活性基團的修飾（4）與輔助因子有關的修飾：（5）肽鏈伸展后的修飾：3.結合定點突變的化學修飾。
修飾酶的特性穩定性提高 ⑵抗各類失活因子能力提高 ⑶抗原性消除 ⑷體內半衰期延長： ⑸最適pH改變 ⑹酶學性質變化 ⑺對組織分布能力改變 。
闡述基因工程藥物研制有那些主要過程？答：基因工程藥物的生產必須首先獲得目的基因,然后用限制性內切酶和連接酶將所需目的基因插入適當的載體質粒或噬菌體中并轉入大腸桿菌或其他宿主菌(細胞),以便大量復制目的基因.對目的基因要進行限制性內切酶和核苷酸序列分析.目的基因獲得后,最重要的就是使目的基因表達.基因的表達系統有原核生物系統和真核生物化的難易.將目的基因與表達載體重組,轉入合適表達系統,獲得穩定高效表達的基因工程菌。建立適于目的基因高效表達的發酵工藝,以便獲得較高產量的目的基因表達產物.。
展開 計算流體動力學（CFD）優化新型原位曝氣模式以提升其在MBR中的性能
此外，我們還發現了一種新穎的原位曝氣方法，與傳統曝氣方式相比，可將湍流動能增加200倍，從而實現更均勻的氣泡流線，并在膜生物反應器中具有優越的防污潛力。總體而言，本研究提出的CFD模型、優化技術和新穎的原位曝氣方法為膜生物反應器的結構設計和優化提供了綜合方法，充分考慮了液相和固相，以減輕膜污染現象。
來源：膜法清水課題組 林紅軍教授、申利國教授和葉群峰副教授為主要作者。
生物催化反應中溶劑體系的選擇
近年來，生物催化已成為合成化合物的重要途徑，也常應用于工業規模的生產。為了應對工業經濟對生物催化反應的嚴苛要求，相關研究團隊在提高反應時空產率、底物轉化率和產物濃度等方面做出了許多努力。
由于酶在水相體系中往往更穩定，水性介質通常會被選作進行酶促反應的溶劑。然而，常見的工業化合物的水溶性通常很差，如果使用水溶液會導致底物負載量低和生產效率下降；同時，一些合成反應需要酶法與化學法聯用，部分化學催化劑只能在非水介質中使用。這就造成了在溶劑體系選擇方面的矛盾與難題。
最近，一篇入選了“2021 Green Chemistry Hot Articles”的關于生物催化反應溶劑體系選擇的綜述文章進入了我們的視野，這一綜述對于酶賽這類生物催化領域的公司具有巨大幫助。Rother教授及其同事對不同的溶劑體系的優勢與挑戰進行了分析，并進一步挑選了適合不同體系的“非常規介質”。最后，他們還制作了流程圖，便于有合成需要的團隊能夠根據所需快速找到合適的溶劑體系。其中，酶賽的Marco Bocola博士也是這篇綜述的作者之一。
一、不同的生物催化反應溶劑體系
這篇綜述根據溶劑體系中水與其它溶劑含量所占比例不同，將體系分為水單相（純水相/共溶劑體系），兩相（雙相/水-底物體系）和非水單相體系（微水反應體系/純底物體系）三大類。體系具體組成可見下圖（原文Fig.1）。
Fig. 1 不同溶液體系的相對水含量
1.1 水單相溶劑體系
水溶劑或緩沖溶液性質溫和且容易獲得，因此被視為最簡單的方法。它可以是純水相，也可以在水溶劑中添加適量能與水混溶的共溶劑以提高反應試劑溶解度（共溶劑還可以參與反應，例如輔因子再生）。
展開 10萬一斤的人造魚肉？！我們去看了看
很可能以后我們吃的魚都來自這里
為了創造讓 “魚細胞長成魚柳” 的合適條件，Mike 和他的團隊會把這個細胞放入一個叫“生物反應器” 的東西里。
生物反應器是干什么的？這么說吧，魚的細胞是怎么在魚身體里成長、分裂、長成好吃的魚柳的，生物反應器就怎么去模仿魚身體里的環境。
對了，生物反應器是一個有扇葉的、高速運轉的、帶著營養液的缸，小一點的長這樣：
但是，光模仿了環境不管用，還要 “喂養” 細胞。就好比我們吃了東西才能成長，細胞也要吃東西才能長大，而鹽、糖、蛋白質，則是細胞生長的三個條件。
鹽和糖我們每天都吃，就不多說了。至于蛋白質，Finless Food 會把魚肉里負責制造蛋白質的 DNA 提取出來，放在微生物酵母里，讓微生物來培養這些蛋白質。
其實這種制造方法并不新鮮：奶酪也是這么做的！
相傳世界上第一塊奶酪，是無意間誕生的：一個小伙把牛奶放到了用羊胃做的包裹里，一路上邊走邊甩，等再打開包裹一看，驚訝地發現已經凝結成了固體。
后來很長一段時間內，酶凝奶酪的過程都需要用到羊的胃內膜。但現在這個過程也用微生物制造：我們把羊胃內膜里的相關蛋白質分離出來、放在微生物里培養生長，以此大規模生產奶酪。否則總不能雇一大群人，大家站在操場上一起甩羊胃包裹吧？所以，如果你能接受奶酪的制作過程，應該也能接受
Finless Food 的人造魚柳。
又是魚肉、又是奶酪的，小探忽然很想吃麥香魚了怎么辦...
人造魚肉和真魚肉味道一樣嗎？
小探在一開始聽到 “人造魚肉” 這個主意的時候，其實是有點心存疑慮的，畢竟是要吃進身體里的東西。人造魚肉的味道如何？有營養嗎？長期食用會對身體健康有影響嗎？
我們先說味道！
Mike 說，一開始他們“種”的魚肉種類是鯉魚，然而...鯉魚刺太多了，但美國人不會吐刺！
展開 
【干貨】厭氧處理器的發展及新技術的特點、原理、啟動要素！
第二代厭氧反應器
隨著生物發酵工程中固定化技術的發展，人們認識到提高反應器中污泥濃度的重要性，于是，基于微生物固定化原理的高效厭氧生物反應器得以發展。第二代高效厭氧生物反應器必須滿足以下兩個條件:
1)系統內能夠保持大量的活性厭氧污泥；
2) 反應器進水應與污泥保持良好的接觸。
依據這一原則，20世紀60年代末，第一個基于微生物固定化原理的高速厭氧反應器——厭氧濾池誕生。它的成功之處在于，在反應器中加人固體填料(如沙礫等)，微生物由于附著生長在填料的表面，免于水力沖刷而得到保留，巧妙地將平均水力停留時間與生物固體停留時間相分離，其固體停留時間可以長達上百天，這就使得厭氧處理高濃度污水的停留時間從過去的幾天或幾十天縮短到幾小時或幾天。在相同的溫度下，厭氧濾池的負荷高出厭氧接觸工藝2～3倍，同時有很高的COD去除率，而且反應器內易于培養出適應有毒物質的厭氧污泥。
1974 年，荷蘭研究和開發了UASB反應器技術，其最大特點是反應器內顆粒污泥保證了高濃度的厭氧污泥，標志著厭氧反應器的研究進入了新的時代。隨后，研究者們基于一些厭氧處理經驗和厭氧處理所涉及的微生物學、生物化學和生化工程的最新研究成果，開發出的一批厭氧反應器被稱為第二代廢水厭氧處理反應器，其中比較典型的有:升流式固體厭氧反應器(USR)、升流式厭氧污泥床反應器(UASB)、 厭氧濾池(AF)、厭氧流化床(AFB)等。
展開 硼酸酯/腙的協同Click反應實現生物正交共軛
硼酸酯/腙的協同Click反應實現生物正交共軛
2017年、阿爾伯塔大學?Dennis G. Hall課題組、著眼于利用細胞毒性小的硼酸與二醇反應形成硼酸酯、再與腙的形成進行組合，形成不可逆的復合體的手法，成功應用在了活細胞的共軛正交反應上。
“
“Synergic “Click” Boronate/Thiosemicarbazone System for Fast and Irreversible Bioorthogonal Conjugation in Live Cells”
Akgun, B.; Li, C.; Hao, Y.; Lambkin, G.; Derda, E.; Hall, D. G.* J. Am. Chem. Soc.2017, 139, 14285. DOI: 10.1021/jacs.7b08693
”
需要解決的問題點
使用毒性低的試劑在細胞內進行生物正交反應，是用于理解生物體分子在細胞內功能的一種很有效的手段。特別是在低濃度?水系溶劑中顯示出高反應性?選擇性、沒有副產物生成，并且收率高的Click chemistry，是目前該領域關注度最高的。
Hall課題組也是瞄準這類反應，報道了基于硼酸酯形成的新型生物正交反應的開發[1]。在該反應中，盡管nopoldiol衍生物與2-甲基-5-羧甲基苯基硼酸形成的硼酸酯的穩定性高，然而由于在水中會發生逆反應，成為了這個反應的一個需要改善的問題（下圖）。
具體手法
作為改善的思路，作者重點關注生物正交反應中使用的亞胺·腙·肟形成、作者認為可以通過使用它作為第二種協同相互作用來合成更穩定的復合物，并優化試劑骨架。
將二醇結構固定在nopodiol上、然后作者進行了用于各種C = X鍵的相互作用位點結構的組合研究。
展開 浙江大學顧臻《ACS Nano》可注射生物降解高分子復合物，遞送葡萄糖反應性胰島素
在正常血糖情況下表現出一致且緩慢的基礎胰島素釋放以及實時響應高血糖而加速胰島素釋放的葡萄糖反應性載體可以提供有效的血糖調節，降低低血糖的風險。
最近
，
浙江大學
顧臻
教授
團隊
描述了一種由
聚（1-賴氨酸）衍生的可生物降解的葡萄糖響應性陽離子聚合物
，用于構建聚合物-胰島素復合物，
葡萄糖刺激的胰島素遞送。
研究了芳基硼酸在合成的陽離子聚合物中的修飾度和聚合物與胰島素的比例對葡萄糖依賴性平衡游離胰島素水平及其相關胰島素釋放動力學的影響
。另外，在
1型糖尿病小鼠中評估了這些復合物的血糖調節能力以及相關的葡萄糖激發觸發的胰島素釋放。
相關論文以題為
Injectable Biodegradable Polymeric Complex for Glucose-Responsive Insulin Delivery
發表在《ACS
Nano》上。
【主圖見析】
圖
1.用于胰島素遞送的葡萄糖反應復合物。
（A，B）葡萄糖反應性胰島素釋放復合物的形成和機理示意圖。具有葡萄糖感測元件的帶正電荷的聚合物與帶負電荷的胰島素形成復合物。葡萄糖與FPBA之間的結合降低了FPBA的p
K
a
，引入了負電荷，削弱了聚合物與胰島素之間的吸引力，因此刺激了胰島素的釋放并將平衡轉移至游離胰島素。聚合物的結構示于（B）中。（C）形成復合體前后，RhB胰島素和Cy5標記的PLL0.4-FPBA0.6的代表性圖像。該復合物由若丹明B標記的胰島素（紅色）和未標記的聚合物或花青5（Cy5）標記的PLL0.4-FPBA0.6（藍色）和未標記的胰島素制備。胰島素和聚合物的重量相同。（D）復合物的代表性熒光圖像。
展開 水處理過程都會用到哪些仿真？不知道的快來學
水的體積分數分布圖
氧氣的質量分數分布
生物反應的模擬分析
ANSYS FLUENT中的活性污泥模型(ASM)可以模擬污染去除情況，污染物組分濃度可以通過組分輸運方程計算得到，該方程包含生物反應源項，該源項與ASM模型中生物反應動力學參數有關，是基于微生物的生長和衰減過程，通過動力學和化學計量學參數與營養物質濃度聯系起來。因此，在CFD模型中結合組分輸運方程可以實現流體力學與ASM模型的連接。 CFD可以模擬生物反應器流體力學特性，結合CFD和ASM模型有利于從流體力學角度提高污染物去除率。
活性污泥水處理反應器幾何結構與網格
反應器內的速度矢量及大小分布
反應器內的溶解氧含量分布
反應器內微生物的濃度分布
反應器設計
水處理中典型的固液分離反應器就是沉淀池；生物處理反應器包括穩定塘、活性污泥法中的曝氣池以及厭氧消化池等；化學處理反應器包括絮凝池和接觸池等，其中常見的絮凝池有攪拌反應池和隔板式水力絮凝池。
展開 