生物反應(yīng)器是用于動(dòng)植物細(xì)胞和微生物的體外培養(yǎng)，并通過(guò)生化反應(yīng)或發(fā)酵過(guò)程獲取產(chǎn)物的裝置，是現(xiàn)代生物制造領(lǐng)域的核心設(shè)備。生物反應(yīng)器又被稱為生物醫(yī)藥和生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的"心臟"。隨著合成生物學(xué)和人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展，以及全球范圍對(duì)生物產(chǎn)品需求的不斷增加，生物反應(yīng)器正朝著低能耗、智能化方向發(fā)展。

       傳統(tǒng)生物反應(yīng)器主要以攪拌式生物反應(yīng)器和氣升式生物反應(yīng)器為主，攪拌式生物反應(yīng)器采用攪拌器進(jìn)行多相混合，使反應(yīng)物能夠均勻混合，實(shí)現(xiàn)生物反應(yīng)過(guò)程的高效進(jìn)行，氣升式反應(yīng)器則是通過(guò)氣體提供動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)氣液相的均勻混合。目前在工業(yè)化生產(chǎn)中，主要采用攪拌式生物反應(yīng)器，并輔以其他各類型反應(yīng)器。隨著生物技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)生物反應(yīng)器的要求也在不斷提高，并逐漸向更為精細(xì)和高效的方向發(fā)展。微流控反應(yīng)器和高通量微型生物反應(yīng)器的出現(xiàn)，為生物醫(yī)藥產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)提供了新的途徑，甚至出現(xiàn)了一次性生物反應(yīng)器，這種反應(yīng)器的應(yīng)用范圍已經(jīng)涉及到各種工程細(xì)胞菌株甚至干細(xì)胞的培養(yǎng)。微型生物反應(yīng)器在高通量篩選領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)展，它可以同時(shí)進(jìn)行大量的培養(yǎng)，從而加快篩選速度。目前微型生物反應(yīng)器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于菌種的篩選、發(fā)酵培養(yǎng)基及生產(chǎn)工藝的優(yōu)化，成為目前生物反應(yīng)器發(fā)展最快的領(lǐng)域之一。

       生物發(fā)酵過(guò)程參數(shù)的全面性和準(zhǔn)確性在一定程度上能夠決定新型生物產(chǎn)品的合成水平。由于微生物生長(zhǎng)和繁殖的反應(yīng)機(jī)制非常復(fù)雜，生物反應(yīng)器關(guān)鍵指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)于生物發(fā)酵過(guò)程的控制非常重要，目前由于一些復(fù)雜的生物過(guò)程缺乏實(shí)時(shí)傳感技術(shù)和檢測(cè)方法，許多重要參數(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)。

       1、發(fā)酵過(guò)程傳感技術(shù)的研究

       ①流體動(dòng)力學(xué)傳感。在發(fā)酵過(guò)程中，流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)于生物反應(yīng)的效率和產(chǎn)量至關(guān)重要。先進(jìn)的傳感技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)酵罐內(nèi)的液體流動(dòng)情況、氣液氧合和混合效果。利用激光多普勒測(cè)速儀、壓電傳感器和電容式傳感器等設(shè)備，可以實(shí)時(shí)測(cè)量和分析發(fā)酵罐內(nèi)的液體速度、氣體液滴大小和氣泡分布，從而優(yōu)化反應(yīng)器設(shè)計(jì)和操作條件。

       ②反應(yīng)物濃度傳感。近年來(lái)，無(wú)線傳感技術(shù)、納米材料和化學(xué)傳感器的發(fā)展，使得反應(yīng)物濃度傳感更為精確和便捷。有研究基于微流體技術(shù)和光纖傳感器陣列，使用離子選擇性電極和光學(xué)傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)酵罐中關(guān)鍵物質(zhì)的濃度變化，以實(shí)現(xiàn)精確的控制和優(yōu)化。

       ③細(xì)胞生物傳感。隨著合成生物學(xué)和基因工程的發(fā)展，通過(guò)改造微生物或細(xì)胞工程菌株，使其能夠感知關(guān)鍵參數(shù)并產(chǎn)生特定的輸出信號(hào)，這種生物傳感技術(shù)可以直接在發(fā)酵過(guò)程中實(shí)現(xiàn)生物反應(yīng)的監(jiān)測(cè)和控制。工程菌株可以被設(shè)計(jì)成能夠感知氧氣濃度、溫度、pH值、光能等環(huán)境參數(shù)，并通過(guò)特定生物合成途徑產(chǎn)生目標(biāo)產(chǎn)物。

       2、發(fā)酵過(guò)程傳感裝備

       ① 尾氣質(zhì)譜儀和尾氣分析儀。尾氣質(zhì)譜儀能夠?qū)崟r(shí)在線監(jiān)測(cè)發(fā)酵過(guò)程中排放的各類氣體，包括N2、O2、CO2等，這些組分的分析結(jié)果對(duì)于了解和掌握發(fā)酵過(guò)程中細(xì)胞的代謝活性具有至關(guān)重要的意義。發(fā)酵尾氣分析儀與尾氣質(zhì)譜儀的主要區(qū)別在于檢測(cè)的精度，根據(jù)精度要求，可應(yīng)用于不同發(fā)酵過(guò)程。目前，美國(guó) Extrel 公司生產(chǎn)的質(zhì)譜儀在生物工程領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用市場(chǎng)。其產(chǎn)品主要通過(guò)四級(jí)桿方式進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)樣品進(jìn)入進(jìn)樣系統(tǒng)后，氣體分子會(huì)受到離子源的轟擊，形成不同帶電荷離子，然后在磁場(chǎng)的作用下，不同的離子會(huì)根據(jù)質(zhì)荷比的不同落在檢測(cè)器的不同位置上，從而實(shí)現(xiàn)全譜掃描。

       ② 活細(xì)胞傳感器?；罴?xì)胞傳感器的檢測(cè)原理是正常活細(xì)胞具有完整的細(xì)胞膜，其胞內(nèi)的帶電荷離子在特定頻率的交變電場(chǎng)下能夠發(fā)生極化現(xiàn)象，從而使得每一個(gè)正?；罴?xì)胞可以被認(rèn)為是一個(gè)非常小的電容器。因此通過(guò)檢測(cè)發(fā)酵液環(huán)境中的電容信號(hào)，再經(jīng)過(guò)一定的信號(hào)數(shù)據(jù)處理，就能夠得到相應(yīng)的電容值，其大小與發(fā)酵液環(huán)境中的活細(xì)胞量呈正相關(guān)。相比之下，死細(xì)胞由于細(xì)胞膜破碎，胞內(nèi)離子釋放到環(huán)境中，同時(shí)發(fā)酵液環(huán)境中固體顆粒等物質(zhì)并不帶電荷，因此不會(huì)對(duì)電容值的測(cè)定造成影響，從而能夠很好地特異性檢測(cè)活細(xì)胞生物量。

       ③ 電子鼻。電子鼻又稱氣味掃描儀，最初是用于快速檢測(cè)食品中特定成分含量的一種儀器。隨著其應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，目前在發(fā)酵行業(yè)也已經(jīng)作為一種重要的在線傳感器。電子鼻與過(guò)程質(zhì)譜儀類似，也是對(duì)尾氣成分進(jìn)行在線檢測(cè)，但其原理則是通過(guò)SnO2氣敏膜對(duì)氣體成分和含量響應(yīng)不同來(lái)實(shí)現(xiàn)定性和定量檢測(cè)。一般來(lái)說(shuō)，SnO2氣敏膜具有高靈敏、快速響應(yīng)的特點(diǎn)，因此能夠?qū)怏w中微量成分進(jìn)行測(cè)定。目前，常規(guī)的氣敏膜靈敏度為1-10000 mg/kg，但是部分氣敏膜能夠達(dá)到 100 ng/L的靈敏度。

       ④ 機(jī)器視覺泡沫傳感器。機(jī)器學(xué)習(xí)和視覺技術(shù)在生物傳感領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用價(jià)值，利用機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)進(jìn)行圖像處理，可實(shí)現(xiàn)對(duì)生物過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。有研究報(bào)道利用一種新型低成本、靈活可靠的泡沫傳感器應(yīng)用于生物發(fā)酵過(guò)程，可有效檢測(cè)泡沫以及控制消泡劑的精準(zhǔn)添加，基于機(jī)器學(xué)習(xí)，通過(guò)訓(xùn)練可以區(qū)分不同類型泡沫，進(jìn)而分析發(fā)酵過(guò)程的不同階段。

       發(fā)酵過(guò)程先進(jìn)傳感技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用為提高產(chǎn)量、優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量和提高能源效率提供了重要的手段。未來(lái)，我們可以期待更多先進(jìn)傳感技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，為發(fā)酵過(guò)程的智能化和可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)更多的可能性。另外生物反應(yīng)器中的硬傳感器長(zhǎng)時(shí)間使用后會(huì)出現(xiàn)檢測(cè)誤差。隨著人工智能的開發(fā)，軟傳感器已逐漸應(yīng)用于各種生物過(guò)程中。利用生物過(guò)程異源異質(zhì)海量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)清洗、特征提取、參數(shù)關(guān)聯(lián)分析，建立生物過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)化動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)；在生物過(guò)程海量標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)生物過(guò)程云計(jì)算技術(shù)，開發(fā)生物過(guò)程軟測(cè)量?jī)x表、故障診斷、精確智能控制等關(guān)鍵技術(shù)。

       參考資料

       [1]田錫煒,王冠,張嗣良,等.工業(yè)生物過(guò)程智能控制原理和方法進(jìn)展[J].生物工程學(xué)報(bào),2019,35(10):2014-2024.

       [2]劉可意,汪俊卿,傅凱,等.智能生物反應(yīng)器裝備制造進(jìn)展[J].食品與發(fā)酵工業(yè),2024,50(15):409-416.

       作者簡(jiǎn)介

       小泥沙，食品科技工作者，食品科學(xué)碩士，現(xiàn)就職于國(guó)內(nèi)某大型藥物研發(fā)公司，從事營(yíng)養(yǎng)食品的開發(fā)與研究。