生物反应器，简而言之，是一种容器，旨在促进生物反应或转变的发生。

它涵盖了广泛的生物系统，包括酶、微生物、动物细胞、植物细胞及组织等。生物反应器的核心使命是为这些生物系统提供一个优化的外部环境，以满足其生长和生产的需要，从而实现生物过程的高效产出。在这一过程中，生物系统与物理、化学因素之间的相互作用错综复杂。

为了打造出适用于特定生物过程的生物反应器，我们必须深入探究生物系统的特性，如细胞生长、代谢、基因操作以及蛋白质或其他产品的表达，以明确细胞对物理和化学环境的需求。随着对生物系统认识的不断深化，各式各样的生物反应器类型和配置得到了开发和完善。

同时，控制生物反应器的操作参数，如溶解氧浓度、pH值、温度、混合程度和营养补充，对于维持活细胞或酶的功能至关重要。鉴于生物反应器融合了分子生物学和过程工程两大知识体系，且在生物过程中扮演着核心角色，采用系统科学的“生物反应器工程”一词，相较于“生物反应器”或传统的“发酵罐”更为贴切。

生物反应器的设计与应用

生物反应器在众多生物过程中占据着核心地位。在设计生物反应器系统时，首先需明确生物过程的最终目标，这通常由市场需求或有益生物转化过程决定。得益于重组 DNA 技术和基因组测序的飞速发展，同一产品或生物过程可由不同的生物系统实现，如微生物、植物细胞、动物细胞或酶。因此，了解这些系统的基因表达、代谢操作和生物反应途径至关重要。接下来，我们需要确定所选生物系统高效运行所需的培养基要求，这可以通过化学计量学和实验数据来实现。动力学研究则有助于揭示生物反应速率，包括细胞生长、底物消耗、产品合成和副产品形成等。物理环境对生物性能的影响同样不容忽视，如剪切应力、传质、混合、pH 和温度等因素。此外，下游工艺要求也是设计生物反应器时必须考虑的因素。

​

在挑选适用于特定生物过程的生物反应器类型时，需权衡多种因素，如氧传递、混合、剪切、操作稳定性和可靠性、放大和成本等。对所选生物反应器进行特性表征和操作模式优化，对于提高生物性能至关重要。高效的生物反应器系统离不开其控制和支持系统的配合。生物反应器系统虽然重要，但必须与整个生产系统紧密高效地集成。因此，在设计和操作生物反应器时，还需考虑其他工艺要求和约束。

​

本章旨在介绍各种生物反应器系统，并概述其在设计、控制和应用方面的最新进展。尽管我们尝试根据它们的独特属性进行分类，但不同生物反应器之间仍存在一定的交叉。鉴于生物反应器工程领域的广泛性，本章难以涵盖所有内容，但希望能为读者提供一个全面的了解。