图1 Sartorius Stedim生物技术公司研发生产的新型Univessel SU一次性搅拌式生物反应器

生物技术产品在生产过程中可以选择使用一次性或多次使用的生物反应器。如今，在生物技术的工艺研发过程中，一次性生物技术设备正逐步显示出它的各项优点，例如：成本低廉、快速投入使用等等。

在生物药品的生产过程中，例如：单克隆抗体、生物酶或者免疫疫苗的生产，都是在生物反应器这一核心设备中完成的。在生物反应器中，细胞单抗要尽可能在最佳的监控条件(温度pH、溶解氧浓度和营养介质)下繁衍。

搅拌式反应器是生物技术领域中最常用的反应器。传统的生物技术领域中使用小型搅拌式反应器（150ml~10L），使用玻璃材料；大型号反应器（10~10000L）则采用不锈钢材料制造。

从20世纪90年代中期开始，一次性生物反应器在实验室以及生物制品生产过程中的应用越来越普及。

一次性系统的最大优点是：操作简单，省略了费时费力的清洁和消毒时间。从GMP药品生产质量管理规范的角度来讲，一次性反应器的应用也避免了交叉污染，并可以节约高额的清洁验证费用。

第一代一次性生物反应系统是二维的袋式细胞培养器，例如：Sartorius Stedim生物技术公司研发生产的Biostat Cultibag RM。在该系统中，摇摆平台不停地摇摆，从而在袋式培养器中形成波诱导的液体混合。

由于结构形式的限制，这种一次性设备的最大工作容积被限制在几百升之内。而市场对于一次性反应器的极大需求激发了更多生产厂商开发这种一次性产品的积极性，也逐步向市场推出更多、更先进的一次性生物反应器，例如Biostat Culbibag公司的STR系列一次性生物反应器。这也使得一次性反应器的结构形式再次发生了变化，转变为三维的一次性生物反应器。这种生物反应器采用不锈钢材料制造，不仅保证了稳定性，而且也保持了恒温。

三维的一次性生物反应器可配备的成品容器有多种规格，从50L直到2000L。这种三维结构的一次性生物反应器所使用的不锈钢反应釜与传统的不锈钢反应釜尺寸规格相同；此外，还使用了一次性的pH检测传感器和pO2（溶解氧浓度）检测传感器。从而可以真正地发挥一次性生物反应系统的全部优势。

一次性搅拌式反应器

最新研发生产的一次性搅拌式生物反应器采用了集装桶式培养容器，可以替代传统的玻璃生物反应器。这种新型生物反应器在生物制品生产企业中主要用于工艺过程的开发和优化以及不同生产规模的试验。因此，集装桶式生物产品容器既可多次性使用，也可一次性使用，这一点是非常重要的。

最实用同时也最具特色的是，这种搅拌式反应器具备了2L的容器。与反应器产品目录中的常规容器相比较，它成本低廉、容积足够大、使用操作方便等。大规格的一次性容器也有很多优点，例如：它省略了蒸煮消毒重量较大的玻璃容器的麻烦，也省略了它们的维护保养费用。

Sartorius Stedim生物技术公司研发生产的新型Univessel SU是第一个真正的一次性搅拌式生物反应器：它的设计原理与传统的玻璃材料生物反应器相同，但它的培养容器使用的材料是聚碳酸酯。容器底部采用了不锈钢培养容器的蝶形底结构设计。为了保证在工作过程中培养容器能够稳定地站立，Univessel SU都有培养容器架。与玻璃材料的生物反应器相同，培养容器所有的操作部位都在培养容器的端盖上。而端盖与培养容器体固定连接在一起，配备了大量的端口。所有的生物菌株接种和收获的操作都是在保温软管和Luer－MPC偶合器的帮助下完成的。为便于取样，还安装了无针注射器。可利用培养容器底部中央的收获生物产品的管道来清空培养容器。充气时，可利用水下或利用顶部空间来进行，充气管路和排气管路都配备了无菌过滤器。水下充气时，水下管道有许许多多的小孔。另外，有三个端口带有螺纹（PG 13.5），可用于安装标准的12mm传感器。搅拌轴的两个球轴承支承保证了很高的稳定性，所使用的唇形密封件也保证了搅拌轴的稳定性。两组3叶板式搅拌叶片保障了细胞培养液最佳的轴向搅拌混合。

图2 Univessel SU是一种专门为生物技术领域中的工艺研发过程而设计的一次性搅拌式生物反应器

这种Univessel US系列的一次性生物反应器还可以附带配备非侵入式一次性光学传感器进行pH和pO2的检测。非侵入式一次性光学传感器发出特殊的色素，使特定波长的光穿透培养容器壁激发出荧光。传感器测定到荧光波长，从而确定pH值和pO2值（如图3所示）。

不同规模的试验

不同生产规模的反复试验是综合应用实践经验、工艺参数和设计准则的综合过程。

最重要的尝试是生物反应器的设计以及生物工程技术的特性参数，例如混合比、气量输送等。设计准则主要体现在生物反应器的高-直径比方面、混合搅拌器的设计、搅拌装置与生物反应器直径比以及充气参数的实施等方面。

混合搅拌中应注意混合时间和特殊的功率输入等参数；在输气量方面，O2的传输系数是具有决定性意义的，如附表所示。

Univessel SU可以方便地安装到任何新的和已有的生物反应器监控单元中。这里，只需将保温层的温度调节系统接入到监控单元中就可以了。与现有搅拌电动机的连接采用了可重复使用的电动机连接器，它有多个插接口，可供不同的搅拌式生物反应器使用。已经消毒的pH检测传感器和pO2检测传感器可在无菌工作台上连接到培养容器盖内。温度传感器可以简单地插入培养容器端盖上任一尚未使用的孔中进行温度监控。在Biostat B-DCU II型生物反应系统中，还可以使用一次性的pH传感器和pO2检测传感器。

图3 Univessel反应器中pH和pO2检测用光学传感器的工作原理

如今，Univessel US系列的一次性生物反应器已经顺利地连接到已有的生物反应器监控系统中。其他的生物培养容器附件，例如排气冷却器、搅拌器等，也正在研发之中，并将在日后也可成为一次性生物培养设备中的一员。

谁选择了一次性产品，谁就赢得了时间

Sartorius Stedim生物技术公司的Sabrina Armgart女士和Andre Grebe先生在接受本刊记者采访时都强调说，在细胞培养系统的工艺技术研发和优化中，一次性生物反应系统表现出强大的性能。

PROCESS：一次性生物反应器Univessel SU是面向传统的常规应用？还是只定位于特殊应用？

Sabrina Armgart：我们主要面向细胞培养研发领域的用户，因为该领域的工艺研发过程非常特殊。而恰恰在这特殊之中，又显示出了一次性系统的优势，例如：它们的卫生清洁费用很低，并可以快速地投入生产使用。对于用户的常规应用，我们也有相应的计划，例如：推出一套应用范围更大的微生物培养系统。

PROCESS：微生物培养过程在实际操作中的难度体现在哪里？

Andre Grebe：其实，它们的要求并不复杂。但它们所需的充气率很高，搅拌速度很高。我们目前研发的解决方案可能把搅拌速度从700r/min提高到2000r/min。

PROCESS：用户必须从一次性培养容器或者玻璃反应容器中选择其一吗？它们是否可以交替使用？

Sabrina Armgart：用户可以有两种选择，不必固定在某一种解决方案上。一次性培养容器也可以与玻璃反应容器交替使用。当时间紧迫或者在等待培养容器时，就可以简单地交换使用。这样就降低了生物反应器控制系统的停机时间，既弥补了玻璃容器的数量不足，也避免了购置费用高昂的玻璃容器附件的。

PROCESS：利用一次性Univessel SU可以为用户节约多少时间？

Andre Grebe：若假设使用标准的玻璃生物反应器，需要经过调试、清洁、消毒、传感器标定和培养液准备等过程，则总共要7h的时间。而采用Univessel SU完成同样的过程，大约只需要1~3h。这些时间的差别主要取决于传感器是否需要标定，或者是否使用光学检测系统了。而究竟使用什么样的检测方法要由用户来决定。但无论如何，使用一次性反应容器肯定是要更节省时间的。

PROCESS：为什么在使用一次性光学传感器的同时，还可以使用传统的传感器？

Sabrina Armgart：我们想给用户提供更多选择的可能性，让他们根据自己的习惯来选择和使用。但pH检测的准确性被限制在6~8。这对于细胞培养过程来讲已经足够了，也为用户赢得了大量的宝贵时间。