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西部大学诚征免费的适当可持续发展技术 (FAST) 研究小组！学生们将利用太阳能开源 3D 打印和回收来打造分布式未来。联系Joshua Pearce 博士-在此申请
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本文献综述的目标是找到医学实验室中最常用的商业生物反应器，找到商业实验室生物反应器在医疗行业中最常用的功能，找出我们目前的开源生物反应器和这些商业生物反应器之间的差异，并找出哪些变化应该对我们当前的设计进行调整，以确保相当多的功能，同时保持开源的可访问性。

详细介绍生物反应器的医学实验室用途的论文引文列表

  • Tikhomirova、TS、MS Taraskevich 和 OV Ponomarenko。“实验室规模生物反应器在半连续和连续微生物和生物技术过程中的作用。” 应用微生物学和生物技术102，没有。17（2018 年 9 月 1 日）：7293–7308。https://doi.org/10.1007/s00253-018-9194-z。
    • 很棒的评论，以下 13 条参考文献来自
    • 包含一张使用过的医用生物反应器表，每个反应器有一个引用
    • 包含生物反应器在实践中的一些用途：青霉素（Penicillium chrysogenum）、C. cylindracea ATCC 14830 是细胞外脂肪酶的生产者，CHO 细胞系是单克隆抗体、位点特异性抗体药物缀合物或融合蛋白的生产者。
  • Guilherme、Ederson Paulo Xavier、Jocilane Pereira de Oliveira、Lorendane Millena de Carvalho、Igor Viana Brandi、Sérgio Henrique Sousa Santos、Gleidson Giordano Pinto de Carvalho、Junio Cota 和 Bruna Mara Aparecida de Carvalho。“用于生物反应器连续淀粉水解的超大孔冷冻凝胶的合成。” 电泳38，没有。22-23（2017）：2940-46。https://doi.org/10.1002/elps.201700208。
    • 在这项工作中，使用冷冻凝胶整体作为支撑材料合成了一种新的生物反应器，用于固定来自米曲霉的α淀粉酶。生物反应器连续地用马铃薯淀粉生产麦芽糖。
  • 弗伦辛、蒂莫、弗兰克·斯特凡·赫尔特、安杰·普弗拉马赫、伊洛娜·贝伦特、英戈·乔丹、迪特里希·弗洛克齐、伊冯·根泽尔和乌多·赖克尔。“细胞培养中连续生产流感病毒显示有缺陷的干扰颗粒的周期性积累。” PLOS ONE 8，没有。9（2013 年 9 月 5 日）：e72288。https://doi.org/10.1371/journal.pone.0072288。
    • 设计了两级生物反应器装置，其中细胞在第一个搅拌釜反应器中培养，并保持几乎恒定的细胞浓度。然后将细胞不断地送入第二个生物反应器，在那里发生病毒感染和复制。使用这种两级反应器系统，可以连续生产流感病毒。
    • 。即使种子病毒中的 DIP 含量非常低，并且 DIP 从头生成的速率非常低，有缺陷的病毒也会迅速积累，因此对连续疫苗生产构成了严峻的挑战。然而，使用两级生物反应器装置连续复制流感病毒是研究病毒进化和 DIP 影响的新工具
    • 使用两个小型搅拌罐生物反应器（1L工作体积Biostat B plus，Sartorius）。
    • 第一个实验室规模的生物反应器接种 AGE1.CR 细胞，在 37℃、pH 7.2、搅拌速度 120 rpm、工作体积 1 L 下进行培养。通气通过脉冲曝气控制为 40% DO，纯通过微型喷雾器供氧（整个方法部分详细介绍了生物反应器的医疗用途和细节）
  • 塔皮亚、费利佩、英戈·乔丹、伊冯·根泽尔和乌多·赖克尔。“在两阶段半连续和连续搅拌罐培养系统中高效稳定地生产改良痘苗安卡拉病毒。” PLOS ONE 12，没有。8（2017 年 8 月 24 日）：e0182553。https://doi.org/10.1371/journal.pone.0182553。
    • 在这项工作中，研究了改良安卡拉痘苗病毒 (MVA) 病毒的连续生产。
    • 该过程在包含两个相连的 1 L 搅拌罐生物反应器的两级连续系统中实现自动化。
    • 建立了由两个 1 L 搅拌罐生物反应器（Biostat B Plus，Sartorius）组成的生物反应器系统（类似于 Frensing 等人，2013 年，图 1B）。第一个生物反应器（Cell Bioreactor，CB）以 1×106 个细胞/mL 接种 AGE1.CR.pIX 细胞，并在 37°C、120 rpm、Rushton 叶轮、40% 氧饱和度和 850 mL 工作体积 (wv) 下运行。使用纯氧脉冲曝气来控制氧饱和度。pH 值不受控制，仅在批次阶段进行监测，以避免低于 6.9（方法再次详述）
    • 37℃
    • 氧气浓度为 40–50% 饱和度
    • MVA-CR19病毒以0.05的moi添加到VB中
    • 使用的蠕动泵为 Ismatec Reglo-Digital MS2/8-160（泵 1 和 2，图 1B；Cole-Parmer GmbH，德国）和 Watson Marlow 101U/R（泵 3，图 1B；Waston-Marlow Fluid Technology Group） ， 英国）。
  • 吴宣辰、胡玉辰和威廉·E·本特利。“用于探测杆状病毒感染和蛋白质生产的管式生物反应器。” 杆状病毒和昆虫细胞表达方案，由 David W. Murhammer 编辑，461-67。分子生物学方法。纽约州纽约：施普林格，2016 年。https://doi.org/10.1007/978-1-4939-3043-2_23。
    • 本章介绍了几种用于杆状病毒感染的替代生物反应器系统。我们提供了一个示例替代系统，该系统有望避免感染时间内的异步分发。也就是说，我们描述了一种两级反应器系统，由上游连续搅拌釜反应器和下游带有分段塞流的管式反应器组成，用于探测杆状病毒感染和生产。
    • House 制造的两级连续生物反应器：培养室控制在 27–28 °C。，内部制造的玻璃吹制夹套旋转瓶（工作体积 = 200 mL）。，带有多端口盖组件的一升培养基瓶（ Bellco Biotechnology）用作介质储存器和废液罐。，搅拌器板。，水浴。，用于采样的针（22 号）和注射器（1 mL）。，橡胶塞（10 号）。，搅拌器组件（Bellco生物技术）。、Masterfl ex 精密 L/S 蠕动泵（Cole Palmer）。、微处理器控制的蠕动多通道泵（Watson Marlow，型号 505Du）和 4 通道泵头（型号 205BA）。、Watson-Marlow 硅胶管（ ID = 1.14 mm) 和 MasterFlex 编号 14 根管道（长度 = 7.6 m，ID = 1.6 mm）。
  • O'Mara, P.、A. Farrell、J. Bones 和 K. Twomey。“保持活力！用于监测生物反应器中细胞健康状况的传感器。” 塔兰塔176（2018 年 1 月 1 日）：130–39。https://doi.org/10.1016/j.talanta.2017.07.088。
    • 近年来，传感器技术取得了许多进展，本综述也将讨论其中一些进展和未来的研究。
    • Rituxan、Herceptin、Remicade等一大批重组单克隆产品上市
    • pH 值是必须密切监测和控制以防止细胞凋亡发生的 3 个关键参数之一。对于大多数动物细胞来说，最佳细胞生长的 pH 值通常约为 7.6，但在细胞周期中确实会出现波动，在某些情况下 pH 值会达到 7.0
    • 细胞培养基通常含有缓冲剂和碳酸氢钠，以将 pH 值保持在最佳工作参数范围内。
    • 结合 CO2 鼓泡可降低 pH 值，并结合碱提高 pH 值。还值得注意的是，最佳 pH 值在生物过程过程中会发生变化。
    • 即使与最佳 pH 值相差 0.1 个单位的微小变化也会对细胞活力和浓度产生很大影响。
    • 考虑到测试表明，小至 0.15 个 pH 单位的变化都会导致蛋白质表达水平降低，因此这些探针的高度准确非常重要 [34]。
    • 溶解氧 (dO) 是生物反应器中细胞生产过程中必须密切监测和优化的另一个关键参数。
    • 温度监测对于确保生物加工过程中最佳的细胞活力和产品产量至关重要。对于哺乳动物细胞来说，多年来人们一直认为最佳生产温度为 37 °C 左右
    • d. 然而最近的研究表明，30-35°C 范围内的较低温度可以产生某些蛋白质类型的高产量。
    • 超过 37°c 会导致细胞活力和细胞生产的巨大损失
    • 因此，很明显，温度传感器必须在 30–40 °c 的范围内准确运行，因为过程温度会随着时间的推移而变化。由于余量很小，这些传感器必须精确定位，以避免细胞活力损失
  • Fazenda、Mariana L.、Linda M. Harvey 和 Brian McNeil。“灵芝分批补料加工过程中溶解氧对真菌形态和过程流变学的影响”20，第 1 期。4（2010 年 4 月 28 日）：844–51。https://www.jmb.or.kr/journal/view.html?spage=844&volume=20&number=4。
    • 各阶段所用培养基的组成为(g/l)：葡萄糖35、酵母提取物5、蛋白胨5、KH2PO4 1、MgSO4·7H2O 0.5。所有发酵均以补料分批模式进行，每 24 小时或每当葡萄糖浓度降至 5-10 g/l 时脉冲补料葡萄糖、酵母提取物和蛋白胨。使用的反应器是15升（总体积）不锈钢生物反应器（BIOSTAC.-DCU；B.Braun Biotech International，瑞士）。通过自动添加滴定剂（1 M NaOH 和 1 M H2SO4）将 pH 值保持在 4.0。整个运行过程中温度保持在 30°C，搅拌速率设置为 300 rpm。选择的培养条件是基于以前的工作[7]。在 30o C 和 300 rpm 条件下进行非受控和受控溶解氧 (DO) 补料分批培养。在 DO 控制过程中，使用搅拌、气流速率和富氧的级联控制，DO 设定点为 20% 空气饱和度。在两种培养物中，使用的最大气流速率为每分钟培养物体积 2.0 体积空气 (vvm)。发酵过程中 pH、溶解氧、搅拌速度、温度、气流速率和氧气百分比的实时值由生物反应器软件 MFCS DA（Sartorius，英国）自动记录
  • Tescione、利亚、詹姆斯·兰布罗普洛斯、马达瓦·拉姆·帕拉南迪、海伦娜·马卡吉安萨和托马斯·里尔。“生物反应器设计原理和多变量分析在细胞培养缩小模型开发中的应用。” 生物技术和生物工程112，没有。1（2015）：84-97。https://doi.org/10.1002/bit.25330。
    • 生产过程在 3 L 搅拌罐生物反应器（荷兰斯希丹的 Applikon Biotechnology）中进行，在无血清培养基中进行补料分批培养。
    • 使用 TruViu RDPD 公用塔、TruLogic 控制器和 TruBio 软件（Finesse Solutions，圣克拉拉，加利福尼亚州）维持温度、pH 和溶解氧。温度控制在35℃。通过添加 CO2 或 1.0 摩尔碳酸钠将 pH 值控制在 7.2（±0.1 死区）。通过钻孔分布器或孔径为 15 或 50 mm 的烧结分布器输送空气和/或氧气来控制溶解氧。以 10 ppm 快速注射形式添加消泡剂，以减少泡沫积聚并避免排气过滤器湿润
  • 克里斯汀·M.西奥多、史蒂文·T·洛夫里奇、米切尔·S·克鲁斯、尼古拉斯·洛里格-罗奇和菲利普·克鲁斯。“设计和实施经济实惠的实验室规模生物反应器，用于生产微生物天然产物。” 工程报告1，编号。4（2019）：e12059。https://doi.org/10.1002/eng2.12059。
    • 为了应对这些挑战，设计并实施了具有成本效益的实验室规模生物反应器。构建的生物反应器解决了小型或以教学为重点的实验室在尝试扩大培养规模时面临的常见问题。
  • 徐平、科琳·克拉克、托德·莱德、科琳·斯帕克斯、周吉平、米歇尔·王、雷布·拉塞尔和查罗·斯科特。“TAP Ambr 250 一次性生物反应器的特性，作为生物制剂工艺开发的可靠缩小模型。” 生物技术进展33, no. 2（2017）：478-89。https://doi.org/10.1002/btpr.2417。
    • 在接种到 Ambr 250、5-L 和 250-L 生物反应器之前，将这三种细胞系在 378°C、覆盖有 5% CO2 的专有化学成分培养基中解冻并扩增。
    • 上游工艺开发中使用了大约 5 L 台式生物反应器（Sartorius Stedim Biotech）。该工艺在 250 L 一次性生物反应器中扩大规模
  • Kumar、Vinod、Vasudha Bansal、Aravind Madhavan、Manoj Kumar、Raveendran Sindhu、Mukesh Kumar Awasthi、Parameswaran Binod 和 Saurabh Saran。“活性药物成分 (API) 化学品：对当前生物技术方法的批判性回顾。” 生物工程13，没有。2（2022 年 2 月 1 日）：4309–27。https://doi.org/10.1080/21655979.2022.2031412。
    • 本文的目的是从农业的角度有效利用生物质来构建生物基经济框架，以开发潜在的最终生物基产品（例如药品、活性药物成分）。我们的讨论还扩展到生物能源的保护方式以及生物基产品和生物燃料的开发。这篇评论文章进一步展示了生产这些副产品的基本原理。
    • 表1 多种化学品及其生产策略
    • 还有一些重要的API
  • Xu、Sen、Linda Hoshan、Rubin Jiang、Balrina Gupta、Eric Brodean、Kristin O'Neill、T. Craig Seamans、John Bowers 和Hao Chen。“使用恒定 P/V 和 Vvm 组合作为标准的生物反应器放大和工艺转移的实用方法。” 生物技术进展33, no. 4（2017 年 7 月）：1146–59。https://doi.org/10.1002/btpr.2489。
    • 接种序列从小瓶解冻开始，在摇瓶中扩增，然后使用摇波生物反应器（WAVE Bio�reactorTM 20/50、GE Healthcare、Uppsala、Sweden 或 BIO�STATVR RM 20/50、Sartorius Stedim、Göttingen、德国）数量不断增加。
    • 具有单个船用叶轮的玻璃生物反应器（3 L，Sartorius Stedim，Göttingen，德国）与钻孔分布器（DHS）或熔块分布器一起使用。使用具有单个 DHS 的 500 L（站点 A 和 C）或 2,000 L（站点 B 和 C）的 SS 生物反应器。SUB 容量为 200 L 和 2,000 L（Xcellerex XDR200 和 XDR2000，GE Healthcare，马尔伯勒，马萨诸塞州）和 500 L（Hyclone 500 L SUB，Thermo Fisher Scientific，洛根，犹他州）（站点 A 和 D），配有双分布器系统 (Frit使用用于 O2 和 CO2 的分布器、用于空气或 N2 的 DHS。罐的几何形状、分布器设计和叶轮配置各不相同（表 1）
  • 郑明敏、陈飞飞、李浩、李春秀和徐建和。“使用两个带有共固定酶的级联反应器连续生产熊去氧胆酸。” Chembiochem：欧洲化学生物学杂志19，第 1 期。4（2018 年 2 月 16 日）：347-53。https://doi.org/10.1002/cbic.201700415。
    • 熊去氧胆酸（UDCA）是治疗肝炎的有效药物。在这项研究中，7a-羟基类固醇脱氢酶（7a-HSDH）和乳酸脱氢酶（LDH），以及7b-羟基类固醇脱氢酶（7b-HSDH）和葡萄糖脱氢酶（GDH）被共固定在环氧树脂上-功能化树脂（ES-103）催化鹅去氧胆酸（CDCA）合成UDCA。
    • 两个串联的填充床反应器。
  • 米德尔顿、布伦南. “利用搅拌罐夹套生物反应器的本科实验室实验设计”，第 96 页。
    • 对于拟议的实验室实验，将使用由 Sartorius 制造的 BIOSTAT© M 反应器，这是一种带夹套、连续搅拌的间歇式反应器，工作体积为 1.5 L

顶级可重复使用搅拌罐生物反应器列表

截至 5 月 20 日，在 Google Scholar 上搜索时显示：“（生物反应器名称）”

小型： 654 个结果

多用途： 571 个结果

实验室：1010 个结果

Biostat B：2100 个结果

Biostat B plus：1090 个结果

Biostat C:945 结果

Bioflo 110:1960 结果

Bioflo III：1040 个结果

Bioflo 115：542 个结果

Bioflo 310：371 个结果

其他生物反应器：Biolafitte、RALF

该方法不能准确代表学术文献中生物反应器的使用，只是一种探索性工具。

Tikhomirova、TS、MS Taraskevich 和 OV Ponomarenko。“实验室规模生物反应器在半连续和连续微生物和生物技术过程中的作用。” 应用微生物学和生物技术102，没有。17（2018 年 9 月 1 日）：7293–7308。https://doi.org/10.1007/s00253-018-9194-z。

列表来自“实验室规模生物反应器在半连续和连续微生物和生物技术过程中的作用”。(2018)
面值制造商工作容积，升培养模式搅拌方式参考
BIOSTAT®Cplus赛多利斯生物技术体育场5、10、15、20、30批拉什顿涡轮机，6 个叶片（Fazenda 等人，2010）
BIOSTAT® B赛多利斯生物技术体育场1, 2, 5, 10批量、半批量拉什顿涡轮机，3 个叶片（奥尔等人，2009；郑等人，2017）
BIOSTAT® Bplus赛多利斯生物技术体育场1, 2, 5, 10批量、半批量拉什顿涡轮机，2 个叶片（Frensing 等人，2013 年；Timoumi 等人，2017b；Tapia 等人，2017 年；Timoumi 等人，2017a）
博朗气升式发酵罐 (BIOSTAT® B-DCU II)赛多利斯生物技术体育场2, 5批量、半批量拉什顿涡轮机，空运（奥尔等人，2009 年；科巴斯等人，2016 年）
新不伦瑞克省 FS300 挡板发酵罐®新不伦瑞克科学3.5、5、7.5、14、20批量、半批量拉什顿涡轮机，6 个叶片（Galvagno 等人，2011）
BioFlo 3000新不伦瑞克科学1.6、3.3、6.6批量、半批量拉什顿涡轮机，6 个叶片（Nitsche 等人，2012 年）
新不伦瑞克省 BioFlo 110 发酵罐新不伦瑞克科学1.3、3、7.5、14批量、半批量拉什顿涡轮机，2 个叶片（Rioseras 等人，2014 年）
多福斯信息公司0.25, 0.5, 0.75, 1批拉什顿涡轮机，2 个叶片（乔斯特等人，2015）
Ralf Plus 系统生物工程公司2、3.7、5、6.7批量、半批量拉什顿涡轮机，6 个叶片（贝卢等人，2014）
生物技术-3BG上海宝兴生物工程设备有限公司3、5、7批量、半批量拉什顿涡轮机，6 个叶片（陈等人，2017a）
连续搅拌釜反应器 (CSTR)纳米磁技术列兵。有限公司1, 2, 5, 10, 20, 25连续的拉什顿涡轮机，6 个叶片（赵等人，2017）
Ambr®250赛多利斯生物技术体育场0.25连续（级联模式）拉什顿涡轮机，2 个叶片（摩尔等人，2017）

顶级医用生物反应器的规格

  1. 百奥他B
    • 传感器
      • 氧气（极谱或光学）
      • PH（组合测量电极），0.01pH精度可重复使用，0.1单次使用
      • 温度(Pt100)
      • 泡沫控制（导电传感器）
      • 液位（导电传感器）
      • 浊度（1通道NIR吸收传感器）
      • 氧化还原（与 pH 传感器组合测量 | –1,000– 1,000 mV | 1 mV）
      • 平衡底物
      • 重量流量控制器
      • 平衡培养容器
      • RM称重传感器
      • 外部信号输入
    • 泵速：参见规格表，最低为 0-0.1ml/min，最快为 4.25-127.5ml/min
    • 流量计
    • 质量流量控制器
    • 温度控制 - 带冷却指的电加热毯
      • 8-60摄氏度
      • 一次性塑料制品 50 摄氏度
  2. 百奥他B-dcu
    • 传感器
      • 与 Biostat B 相同，加上先进的传感器
      • 压力
      • 葡萄糖酶传感器
      • 乳酸酶传感器
      • 可行的生物质电容传感器
      • O2废气、二氧化锆
      • CO2 废气，红外线
    • 泵速：参见规格表
  3. 迷你福斯
    • 传感器
      • 氧
      • PH值
      • 温度
      • 泡沫（导电，带剂量针）
      • 浊度（（单通道光吸收）或（非侵入式散射光测量））
      • 出口气流 CO2 和 O2
      • 氧化还原组合传感器代替 pO2
    • 泵速，0.0012 至 1.12 mL min-1
  4. 拉布福斯
    • 传感器
      • 氧
      • PH值
      • 温度
      • 二氧化碳
      • 压力
      • 浊度
      • 消泡剂
      • 等级
      • 电导率/介电常数
      • 氧化还原
      • 出口气体分析
    • 泵速，0.0012 至 1.12 mL min-1
  5. 百奥弗洛110
    • 传感器
      • 氧
      • PH值
      • 温度
      • 泡沫
      • 等级
      • 转子流量计
    • 可选排气冷凝器
    • 泵速率：最大 23.5 毫升/分钟，最小 0.25 毫升/分钟（如果泵具有变速功能，则可能会更低）
  6. RALF
    • 氧
    • PH值
    • 温度
  7. 中号
    • 传感器
      • 氧气 (1-50 毫克/分升)
      • PH (0-14)
      • 温度（0-50）
        • 红外测温仪
      • 光密度

顶级生物反应器最常用的功能

  • 除了基本的 PH、氧气、温度控制外，它们还控制葡萄糖等饲料物质和细胞培养密度。除可能的葡萄糖外，所有这些都已包括在内并已计算在内。CO2 用于通过缓冲液控制 PH，N2 气体用于去除氧气和 CO2，并通过缓冲液控制 PH。缓冲物质可保持严格的 PH 值分布。我们目前的生物反应器设计并没有太多缺陷。

可能产生的变化

  1. 灭菌需求
    • 可以高压灭菌吗？
  2. 附加传感器
    • 泡沫/水平
    • 葡萄糖
  3. 控制精度
    • 传感器精度
    • 传感器延迟
    • 泵流量
    • 分布器设计
  4. 一次性使用目标还是多次使用？
    • 塑料、玻璃、钢
  5. 软件控制必须保证准确性

生物反应器测试的实验室应用

  1. 细胞培养物的培养 - CHO 细胞系
  2. 蛋白质生产和产量测试 - 大肠杆菌或其他
  3. 向光性生物培养（可选）
  4. 仿制药生产

我们可以培育的其他可能的药物：

乌司奴单抗 - Sp2/0 小鼠骨髓瘤

英夫利昔单抗 - 小鼠骨髓瘤细胞（SP2/0 细胞）

开源医疗生物反应器规格

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