4.2搅拌式生物反应器的结构与功能
从功能上划分，通常机械搅拌式生物反应器的主要组成部分有罐体、CIP清洗系统、SIP在线灭菌系统、搅拌系统、温控系统、消泡系统、pH控制系统及溶氧（DO）控制系统等，这些过程共同作用维持细胞培养过程正常运行。其他如细胞截留系统作为一种重要的截留细胞设备用于灌注培养工艺或是微载体培养工艺。
4.2.1罐体
搅拌式生物反应器的罐体一般由内筒和夹套构成，内筒用于装载细胞培养液，材质可以是不锈钢、玻璃或是一次性无菌塑料袋；夹套用于换热及提供细胞培养所需的热量，材质可以是不锈钢、玻璃或是加热毯（板）等。对于工业规模化的不锈钢搅拌式生物反应器来说，整个罐体设计符合压力容器要求，能够承受一定的温度和压力，通常要求分别为不低于℃和不小于0.25MPa；与料液接触的部分材质要求是L不锈钢，其他为不锈钢，内壁抛光精度小于等于0.4；保证罐体内部无死角，易清洁。罐体机械密封装置提高了内部的密封性，确保细胞长时间培养过程中不受外界环境污染。另外，罐体上设有通气、排气、取样、接种、进出料口、环境监测（DO、pH及温度等）口、压力释放阀、清洗球和视镜等部件，以满足整个培养过程的需要。
图4-1机械搅拌式反应器罐体结构示意图
4.2.2CIP（CleaninginPlace）和SIP（sterilization-in-place）系统
CIP（在线清洗）和SIP（在线灭菌）是指系统或较大型的设备、系统、管线在原位进行清洁与灭菌工作。CIP系统主要由CIP清洗球、管路、泵及阀等组成，SIP系统主要由管路、阀门等组成，二者结合控制系统，实现反应器整套系统的自动在线清洗和在线灭菌等功能。用于工业生产的生物反应器重量一般在几吨到几十吨，甚至更大，罐体就位后基本不再移动；而生物制品生产的成本较高，大规模生产过程中由于清洗不当，灭菌死角的出现导致的污染对企业造成的损失很大，所以生物制品生产用设备需满足一定的洁净性、无菌性要求，使得在位清洗对于大型生物反应器显得非常必要，不可或缺。CIP和SIP系统分别提供了稳定可靠的清洗方法和灭菌方法，提高生产线的自动化水平和疫苗生产效率。实际上，有效的CIP清洁及验证能提高单位体积的抗原量。
4.2.3搅拌系统
搅拌系统主要由驱动装置、挡板、轴封、搅拌器等组成，用于混合和传质。即通过搅拌作用，使细胞或是微载体均匀悬浮于细胞培养液中，并且使通入的空气分散成气泡与料液充分混合，增大气-液接触面，获得所需要的氧传递速率，以维持适当的气-液-固（细胞）三相的混合与质量传递。
搅拌器又称叶轮，根据所产生流体运动的初始方向，可分为径向流和轴向流搅拌器。径向流搅拌器大多采用涡轮式，其特点是结构简单，有利于增大氧的传递速率，加快氧的溶解但是对流体的剪切作用强烈。常用的涡轮式搅拌器的叶片有平叶式、弯叶式、箭叶式三种，叶片一般为六个，也有四个或八个。轴向流搅拌器大多采用螺旋桨式（见下图4-2），其具有转速高，产生的循环量大、混合效果好，剪切力相对较小，也是目前动物细胞培养用生物反应器中主要采用的搅拌器。
图4-2螺旋桨叶轮
4.2.4温控系统
温控系统用于动物细胞培养过程中提供所需的能量，使细胞培养液维持在恒定温度。一般换热形式采用夹套循环换热，少数反应器也采用内盘管形式换热。加热多采用蒸汽，或者蒸汽与电加热配合使用。蒸汽加热的优势是换热较快，能够很快的将罐内培养液温度升至设定温度，但以发生超温现象；相反电加热的升温速率较慢，但更容易控制，不易出现超温现象，所以可将蒸汽加热与电加热结合，增加温控系统的灵活性与精确度。通常在温控系统中设有双温度传感器，一只置于罐体内部用于测量细胞培养液温度，一只置于夹套出水口处用于测量循环水温度，可通过PID控制系统控制加热的输出比例，P代表比例，I代表积分，D代表微分，完成精确控制。
4.2.5消泡系统
在动物细胞培养过程中，细胞培养液中的蛋白质或多肽使得培养液在通气和搅拌的条件下产生泡沫，而过量的泡沫除因泡沫的破碎易导致细胞受到损伤意外，还会降低反应器罐内外的气体交换速率，并且随着培养液位的升高，还可能堵塞出气过滤器，造成反应器罐体内部压力升高，所以消泡系统对需氧型细胞反应过程较为重要。通常，消泡的方式有两种，一种通过添加消泡剂进行消泡，一种通过机械消泡浆消泡。前者可以人工消泡，也可以与消泡电极关联，当泡沫达到相应参数，系统自动控制消泡；后者通过消泡浆的机械作用将气泡打碎，消除泡沫。
4.2.6pH控制系统
pH控制系统主要由pH电极、控制系统、蠕动泵、通气系统和外部的酸、碱储罐组成。动物细胞生长需要的环境pH值一般为6～8，通过pH电极对培养液的pH进行检测。并可根据细胞和工艺的需求，设定相应的参数，通过PID控制系统自动加入酸、碱或通气，控制pH值维持在细胞所需的范围。
4.2.7溶氧（DO）控制系统
溶氧控制系统主要由DO电极、控制系统、通气管路等组成。动物细胞在培养初期耗氧量较少，随着细胞生长、增殖需求，会加大氧的消耗，并且产生大量的二氧化碳，而氧气供应的不足、二氧化碳的积累会影响细胞继续生长，甚至导致细胞死亡。通常根据工艺需求设定合适的DO范围，通过DO电极的检测和PID控制系统，当细胞培养液中的氧浓度低于设定值时，系统及时补充氧气，维持细胞正常生长所需。
4.2.8细胞截留系统
不同的细胞和产品特性，如产品活性易变化，采用灌注培养工艺具有较大的优势。此外，在搅拌式生物反应器中悬浮培养贴壁细胞时，通常需采用细胞截留系统。细胞截流系统可将大多数细胞或产物阻挡在罐体内，将死细胞、细胞碎片等一些代谢废产物排出生物反应器，提高细胞的培养密度，从而提高生产量。常见的细胞截流系统有旋转过滤系统、离心式细胞截留系统、微载体沉降系统、透析膜过滤系统，超声波细胞截留系统、交叉流过滤系统。
1、旋转过滤系统（Spinfilters）
旋转过滤系统适应于悬浮培养时（全悬浮培养和微载体培养）的高密度灌注培养，使用较为方便，成为研究和应用最多的细胞截留方式之一。其过滤原理是培养上清液从旋转过滤器中抽出，新鲜细胞培养基同速率加入反应器，利用空间效应使细胞截留在反应器中。旋转过滤系统的孔径根据工艺需求进行设计，通常大于细胞颗粒，约为10-25μm，在进行细胞团的分离或是微载体培养时也可增大孔径至50μm，甚至是μm，材质通常为不锈钢L。使用该种过滤系统除便于细胞分离外，还能减少流体剪切力对细胞的破坏，并且与不带旋转过滤器的悬浮培养工艺相比，所培养的细胞密度和活率均有提高。不利之处是易堵塞，堵塞的原因主要有两个：一种是液面超过滤器最高点时，细胞聚集在气孔使其堵塞；另外一种是在长期培养过程中，细胞粘附在滤器表面进行生长时，可能堵塞孔。虽然目前采用一些丝网材料和调整孔径得方法进行优化，在实际操作中适当控制可减缓其堵塞的速度，但也未能从根本上解除该问题。该截留系统可固定在生物反应器内部，也可单独置于外部。
旋转过滤系统目前广泛用于实验室研究及工业化生产，一些研究效果显示，其对细胞的截留效果基本与超声波过滤系统相同。
2、透析膜过滤系统（Dialysisperfusion）
在灌注培养工艺中采用透析膜系统是一种方便有效的途径。透析膜能够截留高分子量物质如抗体、细胞等，但是小分子量物质或是代谢废产物能够通过膜析出。该系统是利用膜内外的力学或是渗透压不同的原理，使某一尺寸范围内的小分子能够自由通过透析膜，截留的分子量大小可以通过膜进行控制。与其他截留装置相比，该系统能够使产物截留在反应器内部，并且维持较高的产物浓度，简化灌注程序。在通常的搅拌式生物反应器中，可以方便的进行透析袋的更换，工艺简单，操作方便。
3、中空纤维细胞截留系统（hollow-fibrebioreactors，HFBRs）
中空纤维细胞截留系统的原理与透析膜系统相同，由中空纤维管组成并隔离细胞和介质，每根中空纤维管的内径约为μm，壁厚为50～70μm。管壁是多孔膜，O2和CO2等小分子可以自由透过膜扩散，动物细胞贴附在中空纤维管外壁生长，可以很方便地获取氧分。该截留系统既可用于悬浮细胞的培养，又可用于贴壁细胞的培养。其截留的原理是：模拟细胞在体内生长的三维状态，利用生物反应器内数千根中空纤维的纵向布置，提供细胞近似生理条件的体外生长微环境，使细胞不断生长。中空纤维是一种细微的管状结构，管壁为极薄的半透膜，通常采用醋酸纤维素膜，富含毛细管，培养时纤维管内灌流细胞培养液，管外壁则供细胞黏附生长，营养物质通过半透膜从管内渗透出来供细胞生长；对于血清等大分子营养物，必须从管外灌入，否则会被半透膜阻隔不能被细胞利用；细胞的代谢废物也可通过半透膜渗入管内，避免了过量代谢物对细胞的毒害作用。该截留系统最大的优点是能维持细胞高密度培养，细胞密度可达cells/ml以上，相应的产物浓度较高，在小型生物反应器中一定程度上能够提高生产效率，该优点使其对于抗体及重组蛋白的生产具有较大的吸引力。
但是该系统需依赖大的扩散系统，影响规模放大及产品质量，溶氧及营养物质分配都不均，还有细胞扩散问题及定量问题的控制等。此外，该装置是纤维管内部培养液在跨膜压力作用下扩散到外部，但是随着纤维管增长，该压力减小会使得外部的培养液反渗透到管内部。尽管已经有较多关于改进的研究，但是中空纤维反应器由于上述的缺点还是主要用以实验室规模。
4、其他系统
近年来关于超声波细胞截留系统和离心式细胞截留细胞的研究也较多。前者是利用超声波场使细胞聚集，聚集细胞的沉降速率较快能够返回到反应器中，在搅拌作用下分散，补充新的细胞培养液继续进行增殖培养，旧培养液则被抽出，从而使二者分离，培养细胞的效果较好，但是该种装置中存在局部过热问题。离心式细胞截留细胞是利用离心装置将从生物反应器中抽出的细胞培养液离心，将上清和细胞分离，细胞返回到生物反应器中，并补充新鲜的细胞培养液，离心后的上清液排出，但该分离过程中对一些敏感细胞受到的剪切力损伤较大，因此针对降低该系统产生的剪切力方面也有大量的研究。
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