以代谢流分析为核心的生物反应器系统

一、系统设计原则及组成

生物过程是指生物系统在生物反应器中进行生化反应的过程。生物反应器系统与其周围环境构成一个相对封闭的生态系统。在这个生态系统中，生物系统与环境因子之间存在相互作用。

生物系统，尤其是以细胞为主导的生物系统的表型不仅与基因型密切相关，还与细胞所处的微观或宏观环境条件（例如营养类型、pH值、温度、溶解氧、生物反应器的混合和传递特性等）密切相关。换言之，基因型和环境共同决定了生物系统的表型特征。另一方面，生物过程具有高度非线性和时变性，难以利用旨在检测和控制环境运行参数的宏观动力学来表征其复杂的本体特征。

因此，需要基于发酵过程中与参数相关的代谢特征，系统地分析细胞的代谢变化，强调细胞的生理状态与参数相关，是生物反应器中物质、能量或信息的传递、转换和平衡的结果。其微观影响因素虽然可能只在基因、酶、细胞或反应器水平的某一尺度上发生，但最终会体现在宏观过程中，为研究生物反应器不同尺度的数据关联分析方法提供线索。

理想的生物反应器系统应该尽可能多地检测和分析不同尺度上的操作参数和状态参数，从而潜在地构建一个最大化微生物基因表达和代谢调控以进行某一目标产物生物合成、最大化目标产物积累的优化外部环境。

这表明生物过程的工程科学问题已经从宏观动力学研究发展到基于生物过程信息处理的多尺度理论方法，以指导以生物反应器系统为核心的生物过程相关工程技术的发展。

百伦采用代谢流多尺度生物反应系统，该系统包括用于检测细胞生理代谢特性的各种先进传感器、用于生物过程微代谢流分析的传感反应器和控制系统、用于细胞生理代谢参数相关性分析的计算机软件包以及用于发酵过程数据处理和远程分析的计算机互联网系统。

该系统与欧洲最高配置一致，减少了人为因素对科研的干扰，提高了数据的重复性和准确性，降低了人力和物力成本，无需专人值守，并可实现计算机远程控制和无线监控。

罐盖自动开启系统，所有参数均可实现自动控制。能够在生物处理过程的各个尺度上获取尽可能多的生物信息，然后基于多尺度参数相关性原理，通过计算机软件的实时数据处理，根据海量数据中的参数关联特性识别工艺优化的关键参数，并以此指导工艺操作、设备设计或菌种筛选改造，最终实现工艺优化和放大。

该系统已成功应用于优化多种产品的生产工艺，大大提高了发酵装置的产能，其优化后的工艺一般可从几十升的发酵罐直接放大到几百立方米的工业化生产发酵罐。

2.先进在线仪器的开发与应用

（1）在线传感器 生物反应器系统

以代谢流分析为核心的生物反应器系统配备了先进的传感系统，除了pH、温度、搅拌转速、溶解氧、转子流量计等常规检测和控制参数外，还配置了热质量流量计（用于精确测量和控制进气流量，使其不受进气压力的影响）、发酵液称重系统、尾气氧气和CO2测量仪表（尾气成分分析仪或过程尾气质谱仪）、顶部安装的硅油压力传感器，用于精确测量生物过程的耗氧速率（OUR）和CO2释放速率（CER）。

还可根据需要配置微代谢流分析传感反应器及控制系统、原位活细胞浓度在线测量仪、细胞形态在线显微观察仪等在线传感器，基于测量获得的直接参数，利用计算机软件包计算出细胞生理代谢率（CER）、细胞生长速率（OUR）、细胞周期质量（RQ）等重要的生理代谢状态参数，进行细胞生理代谢参数分析。

（2）汽车尾气质谱仪 生物反应器系统

过程废气质谱仪主要用于测量废气中O2、CO2、N2的浓度。该质谱仪采用电子轰击离子源，来自不同发酵罐的废气经过在线预处理后，通过多通道旋转阀连续输入电离室，形成离子。

四极杆质量分析器利用带电粒子在电场中的运动规律，将离子源产生的离子按照质荷比（m/z）进行分离，测量离子质量强度分布，得到化合物种类、浓度等信息，准确反映发酵尾气成分的变化。

测量结果可输入专门为发酵过程设计的软件包，并与其他发酵参数进行相关性分析。废气质谱仪可测量相对分子量高达300的挥发性气体成分，因此也可根据发酵需求检测乙醇、甲醇等小分子物质。

（3）测量分析仪 的 生物反应器系统

生物量是发酵过程中的重要参数，目前通常采用干质量、浊度等经典方法通过离线测量获取。原位活细胞浓度在线分析仪不仅可以进行实时在线测量，还能获得更具生物学意义的活细胞浓度。

这特别适用于培养基中含有不溶性固体物质的发酵过程。活细胞分析仪的原理是基于0在频率范围为1-10MHz的交变电场中，发酵液中的细胞表面如细胞膜发生非导电性极化，使得具有完整胞质膜的活细胞本质上像电容器一样（脂质胞质膜的非导电性通常会导致电荷增长），而死细胞、裂解细胞、细胞碎片、气泡和其他基质成分本质上是不可极化的。

通过使用双电极施加频率范围内的交变电场，测量的电极间电容取决于细胞类型和大小，并与一定范围内的活菌浓度成正比。原位活细胞浓度在线分析仪适用于各种动植物细胞、酵母、细菌、藻类等。但它不适用于需要酸碱中和剂作为目标产物的发酵过程，因为发酵液中过高的离子强度会干扰电容的准确测量。

微型生物反应器

微型生物反应器系统是一种新型生化实验平台，能够在小型反应器中研究和控制生物反应。该系统融合了微流控技术、微电子器件和生物技术的优势，在微尺度上实现传统生物反应器的功能。微型生物反应器系统通常由微流控芯片、微泵、温控系统和控制系统组成。微流控芯片是由微通道和微阀组成的核心部件，用于调节反应器中微生物和底物的流动和混合。

微泵负责提供流体泵送并控制流速，温控系统用于维持反应器内部的恒温，控制系统用于实时监测和调控反应的进程。微型生物反应器系统具有诸多优势。首先，由于反应器体积小，可以减少反应时间和底物消耗，从而提高反应效率。其次，微流控芯片可以实现对温度、pH值、底物浓度等反应参数的精确控制，使实验结果更加准确可靠。

此外，由于反应器体积小，多个反应器可以在同一实验平台上并行运行，进行高通量实验，加速科研进度。微型生物反应器系统在生物医学、生物制药、环境保护、食品工业等领域有着广阔的应用前景。通过微型生物反应器系统的应用，研究人员可以更深入地研究微生物的生理特性，加速新药的研发，提高生物生产过程的效率，并开发新的治疗方法和环境监测方法。

微 生物反应器系统 通常由以下主要部分组成：

（1）微流控芯片 生物反应器系统: 微流控芯片是微型生物反应器系统的核心部件，由微米级通道网络和微阀门组成，通过调节微阀门的开闭，可以控制微通道内流体的流动和混合，实现对反应条件的精确控制。微流控芯片通常由玻璃、聚合物或硅基材料制成。

（2）微型泵 的 生物反应器系统: 微泵是一种用于提供流体泵送的装置，微泵通常采用压力或电动方式驱动，可实现对流体的精确控制，可将底物、培养基、试剂等送入微流控芯片，控制反应器内的流速和流体混合程度。

（3）温度控制系统 的 生物反应器系统: 温控系统用于维持反应器内部温度的恒定，通过加热元件和传感器可以实现对反应器温度的精确控制。温度对于微生物的生长和代谢至关重要，因此温控系统的稳定性对于实验结果的准确性至关重要。

（4）控制系统 的 生物反应器系统: 控制系统通常由硬件和软件组成，用于实时监控和调节微型生物反应器系统的运行。它可以监控温度、流速、压力等参数，并根据预先设定的反应条件自动调节这些参数。控制系统还可以记录实验过程中的数据，并进行数据分析和处理。

除了上述主要部件外，微型生物反应器系统还可能包括传感器、检测仪器和数据存储设备等附加部件。传感器可以监测反应器中的生物活性、底物浓度和产物生成等指标。检测仪器用于分析和测量反应过程的质量和品质，而数据存储设备则用于存储实验数据和结果。

微型生物反应器系统通过微流控芯片与相关设备的组合，实现微生物反应过程的精准控制和高效实验，在生命科学、药物研发、工业生产等领域具有广阔的应用潜力。

微型 生物反应器系统 具有以下优点：

（1）体积小： 微型生物反应器系统的尺寸较小，一般为微米至毫米级。与传统生物反应器系统相比，微反应器体积更小，节省实验室空间，并可在相对较小的设备中同时运行多个反应器。这种小尺寸的设计还可以减少样品和试剂的使用量，降低实验成本。

（2）反应速度快： 微反应器由于体积小，反应体积更小，使反应物在通道内能够更快地进行混合和扩散，从而提高反应效率，加快反应速度，因此微型生物反应器系统可以缩短反应时间，加速实验进程，提高实验效率。

（3）样品和试剂消耗量低： 微型生物反应器系统中反应器的体积相对较小，所需的样品和试剂量也相应减少，不仅节省了昂贵的样品和试剂成本，而且有利于节约研究中稀缺的生物样品和贵重试剂。

（4）参数的精确控制： 微流控芯片在微型生物反应器系统中起着至关重要的作用，通过对微通道和微阀的控制，可以实现对反应物流量、温度、压力、混合等参数的精确控制，这种精确的控制可以使实验结果更加准确可靠，为优化生物反应条件提供更多的可能性。

（5）高通量实验： 微型生物反应器系统可以实现多个反应器的并行运行，即高通量实验。在同一个实验平台上，可以同时测试多种实验条件，大大提高研究人员的工作效率和实验产出。高通量实验在药物筛选、基因表达分析等研究中具有重要的应用价值。

（6）集成和自动化： 微型生物反应器系统可与其他设备、仪器集成，实现自动化操作，通过与温控系统、液体处理系统、检测仪器等连接配合，实现反应过程控制和数据处理的全自动化，提高实验的重复性和稳定性。

（7）微观 生物反应器系统 具有以下优点 体积小、反应速度快、样品和试剂消耗少、参数控制精确、实验通量高、自动化程度高，这些优点使其成为生物技术、生命科学、药物研究和生产等领域广泛应用的重要工具。

微 生物反应器系统 在很多领域都有着广泛的应用，下面列举一些重要的应用领域：

(1) 药物筛选与开发： 微型生物反应器系统广泛应用于药物筛选和开发过程中，通过在微流控芯片中培养细胞，可以评估药物的毒性和疗效。微反应器体积小、通量高的特点使得同时测试多个药物样本成为可能，大大加快了药物筛选的速度。此外，微型生物反应器系统可以模拟体内药物代谢和药物作用，提供更准确的药物疗效评估和剂量优化。

(2) 生物制药： 微型生物反应器系统在生物制药过程中发挥着重要作用，通过在微流控芯片中培育细胞工厂，可以实现生物药物的高效生产和纯化，微反应器精确的温度和流体控制能力可以优化生物反应条件，提高生产效率和产出质量，降低生产成本。

(3) 微生物研究： 微型生物反应器系统在微生物研究中有着广泛的应用，在微流控芯片上可以模拟和分析微生物的生理特性和代谢途径，揭示微生物的基本生物学过程。通过精确控制温度、pH值、氧气浓度等不同因素的影响，可以研究微生物对不同环境条件的响应和适应机制，加深对微生物生态学、代谢途径、进化机制等的认识。

(4) 环境监测： 微型生物反应器系统可用于环境监测和污染物检测。通过微流控芯片，可以培养特定的微生物菌株来检测环境中的有毒物质、重金属和污染物。微反应器对微生物活动的灵敏度和快速反应速度使其成为高效、准确、实时的环境监测工具。

(5) 生命科学研究： 微型生物反应器系统在生命科学研究中也得到了广泛的应用。研究人员可以利用微型生物反应器系统研究细胞信号传导、基因表达、蛋白质合成、代谢途径等生物过程。通过精确控制反应条件，我们可以更好地了解生物分子之间的相互作用、细胞功能以及疾病发展的机制。

微型生物反应器系统的应用涉及药物筛选、生物制药、微生物研究、环境监测、生命科学研究等领域，其高通量、精确控制、快速响应的特点为研究人员提供了高效、可靠、创新的实验平台。