生物制药中的动物细胞培养技术能否大规模工业化、商业化，关键在于能否选择和设计合适的生物反应器。由于哺乳动物细胞与微生物发酵有很大差异，传统的微生物发酵罐显然不适用于动物细胞的大规模培养。首先必须满足在低剪切力及良好的混合状态下，能够提供充足的氧以供细胞生长及细胞进行产物的合成。

一、常见生物反应器分类 

目前，动物细胞培养用生物反应器主要包括：转瓶培养器、塑料袋增殖器、填充床反应器、多层板反应器、管式螺旋反应器、流化床反应器、中空纤维反应器、膜式反应器、搅拌式反应器、气升式反应器等；

按其培养细胞方式不同，这些反应可分为以下三类： 

悬浮培养：如搅拌反应器、中空纤维反应器、气升式反应器； 
      贴壁培养：如搅拌反应器（微载体/纸片）、中空纤维反应器； 
      包埋培养：如流化床反应器、固化床反应器；
二、常见生物反应器介绍
1.搅拌式生物反应器

 这是最经典、最早被采用的一种生物反应器。此类反应器与传统的微生物生物反应器类似，针对动物细胞培养的特点，采用了不同的搅拌器及通气方式。通过搅拌器的作用使细胞和养分在培养液中均匀分布，使养分充分被细胞利用，并增大气液接触面，有利于氧的传递。

常见的有：笼式通气搅拌器、双层笼式通气搅拌器、桨式搅拌器等。 

2.气升式生物反应器

       气升式生物反应器的基本原理是气体混合物从底部的喷射管进入反应器的中央导流管，使得中央导流管侧的液体密度低于外部区域从而形成循环。它在结构上和搅拌式大同小异，其显著特点是用气流代替不锈钢叶片进行搅拌，因而产生的剪切力相对温和，对细胞损伤较小。

常用的有：内循环式、外循环式、内外循环式。 
3.固定床生物反应器

将载体固定于生物反应器中，细胞贴附于载体上，通过营养液的循环，三维立体的供给细胞生长所需营养，可以有效的保护细胞免受搅拌和碰撞带来的剪切力破坏，也可以将细胞截留在床体中，特别适合连续灌流培养，有利于后期纯化分离。

4.中空纤维生物反应器

其原理是模拟细胞在体内生长的三维状态，利用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，富含毛细管，培养时纤维管内灌流充以氧气的无血清培养液，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；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，其优点是：

  • 占地空间少； 

  • 细胞产量高，细胞密度可达109数量级； 

  • 生产成本低，细胞培养维持时间长，适用于长期分泌型细胞;

三．生物反应器的设计和放大设计原则
1、生物反应器设计的原则是：

  • 结构严密无泄漏，能耐受蒸汽灭菌，无害和耐蚀材料制作，内壁及管道阀门光滑无死角；

  • 有良好的气-液接触和固-液混和，传质传热效果好；

  • 保证质量和产量前提下，尽量节省能源消耗； 

  • 减少泡沫产生，降低剪切力；

  • 可靠的参数检测和仪表控制；

  • 控制系统安全稳定，记录可追溯； 

2、生物反应器的放大的原则是：

一种新的生物技术产品从实验室到工业生产的开发过程中，会遇到生物反应器的逐级放大问题，每层级约放大10～100倍。生物反应器的放大，表面看来仅是一个体积或尺度放大问题，实际上并不是那么简单。 反应器放大研究虽已提出了不少方法，但还没有一种是普遍都能适用的。目前还只能是半理论半经验的，即抓住反应过程中的少量关键性参数或现象进行放大，如：
① 氧传递
       有关氧传递问题在生物反应器中，氧的传递速率要满足细胞对氧的摄取速率，并使反应器中溶解氧的浓度CL要维持在一定水平上。这就是说，在稳态情况下，供氧与需氧间存在下列关系：KLa(C*-CL)=r 
       此处， KLa为氧的传递系数；C*为相当气相氧分压的溶氧浓度，CL为培养液中溶氧浓度，r为摄氧速率。 因此，影响供氧的因素总体上讲是KLa和C*-CL值。 
       要增大C*-CL，无非是增大C*值或降低CL值。增大C*的措施，有适当增加反应器中操作压力和增大气相中的氧分压两个方法。在实际操作中，反应器保持一定正压，以防止大气中的杂菌从轴封、阀门等处侵入，但在增加罐压的同时，发酵代谢所产生的CO2也会更多地溶解于培养液而对发酵不利。至于CL值，一般不允许过分减小，因为细胞在生长中有一个临界氧浓度，低于此临界值，细胞的呼吸将受到抑制。 
       影响KLa的因素大致可分为三个方面：一是反应器的结构，包括相对几何尺寸的比例；二是操作条件，如搅拌功率或循环泵功率的输入量，通气量等；三是培养或发酵液的物理化学性质，如流变特性，特别是其粘度或显示粘度、表面张力、扩散系数、细胞形态、泡沫程度等。 
② 热传递
       生物反应器中的传热在细胞培养和发酵过程中，热量的释放和吸收是普遍存在的。这是因为在培养或发酵过程中细胞与周围环境的物质产生新陈代谢，即发生异化（分解）作用和同化（合成）作用，而异化作用一般释放能量，同化作用则是吸收能量。同时，尾气的排放和罐体与外界热交换都会导致热传递变化。