為什麼生物反應器是製程的關鍵？
簡單來說，生物反應器（Bioreactor）是一個進行生物製程的容器。生物反應器可能採用簡單的手動控制，或更複雜、全自動的 PLC 控制系統。通常，生物反應器的製程屬於 批次製程（Batch Process），從啟動到收成的時間稱為 「一個生產週期」。
大多數生物反應器需要持續供應氣體與養分，以促進細菌、酵母菌或細胞的生長，達成預期的生物合成。這些添加物通常會在數天到數週的時間內持續加入。在生物反應器的製程控制中，流量計與流量控制器扮演極為重要的角色。細菌與細胞培養在體積流量上的差異非常顯著，必須精準控制，才能確保製程穩定。
細胞培養的製程，其生產週期在收成前可能長達三至四週；而細菌培養的製程，通常僅需數天即可完成。
在這段期間，穩定地執行製程是一項挑戰，因此，精準添加氣體與養分極為重要。細菌培養與細胞培養在體積流量上的差異非常顯著。這些添加物必須在無菌條件下進行，以避免任何不必要的細菌污染，因為這些細菌可能會與目標微生物或細胞培養競爭養分、氧氣及生長空間，甚至產生副產物，影響整個製程的品質與產率。
簡而言之，可靠性與重複性在生物反應器製程中至關重要，尤其是在流量控制方面。
生物反應器製程的示意概覽
此圖為生物反應器中細菌培養的理想生長曲線
用流量控制器進行生物反應器曝氣
生物反應器曝氣常用的氣體包括：空氣、O₂（氧氣）、N₂（氮氣）以及 CO₂（二氧化碳）。N₂ 用於校正氧氣感測器（pO₂），並在製程開始時降低反應器內的氧氣含量。細菌或細胞數量越多，對氧氣的需求就越高。CO₂ 則用於調節液相中的酸鹼度（pH）。通常，生物反應器的控制會透過監測懸浮液中的氧分壓（pO₂）與 pH 值，以確保製程維持在最佳條件。
細胞對氧氣及其他物質的吸收，都是在液相中進行。因此，氧氣必須存在於液體中。為達成此目的，通常會嘗試將氧氣（可能以空氣成分的形式）以最細小的氣泡加入液體中。攪拌液體則有助於分散並促進氧氣的擴散。
生物反應器的起源與發展概覽
微生物生成藥用物質的研究與首次量產，始於第二次世界大戰。當時，人們發現使用 青黴素（Penicillin）治療受傷士兵具有顯著優勢。 這項突破讓科學家認識到，微生物製程相較於傳統化學合成更具優勢。化學合成過程中，往往會產生大量副產物，有些甚至遠超過目標物質的比例，造成效率低落與純化困難。
在 生物合成中，情況則完全不同：目標物質的產率更高，分離過程也更簡單。此外，細菌以及人類或動物細胞，能合成特定物質，這些物質在傳統化學合成中難以甚至無法取得。
過去二十年間，強大的菌株分離技術與基因工程方法，讓我們能夠生產、分離並大量培養特定菌株，使其專一、選擇性且高效率地合成目標物質。大多數這類合成過程，都是在所謂的 生物反應器（Bioreactor） 中進行。
生物反應器應用領域：跨產業製程的關鍵技術
生物反應器應用領域：跨產業製程的關鍵技術
食品與飲料產業
生物反應器在食品與飲料製程中，主要用於發酵。 以優格為例，它是將牛奶在生物反應器中進行發酵而製成，所使用的菌種為 乳酸菌。再舉啤酒為例子，釀造過程中會利用 酵母菌將糖分轉化為酒精，這也是生物反應器應用的經典案例。 事實上，微生物在食品生產中早已被廣泛使用，但為什麼自 20 世紀下半葉以來，生物技術的受歡迎程度會急速提升？答案在於技術進步帶來更高效率、更穩定的製程，以及更精準的品質控制，這些都是現代產業不可或缺的關鍵。
製藥研發與生產
生物技術在藥物研發與生產中扮演越來越重要的角色，尤其是在 幹細胞增殖與醫療治療相關應用上。在設計與生產藥用活性成分時，縮短上市時間、降低成本、確保產品品質一致性，都是產業的核心目標。因此，生物反應器必須具備 高度可靠性，並能支援製程放大(Scale-up)也就是從實驗室的小型反應器，擴展到工業級的大型反應器，同時保持製程條件與品質穩定。這項能力，對於確保量產效率與產品一致性至關重要。
生質化學品與塑膠
生物技術的另一個重要應用，是生質化學品與生質塑膠。研究人員正致力於開發 可再生塑膠，這些材料以有機原料製成，並透過 酵素與微生物的作用完成轉換。目前已經有許多具吸引力的生質塑膠應用案例，例如玩具、汽車零件，以及 PET 瓶的替代品。 另一個具體的生物化學製程例子，是利用微藻（Microalgae）與陽光，將 二氧化碳（CO₂）轉換成有用物質，展現出綠色製程的潛力。
永續能源
能源轉型是推動生物反應器應用的重要動力。沼氣（Biogas）與生質燃料，例如 生質甲烷（Biomethane）、生質乙醇（Bioethanol）、生質柴油（Biodiesel），正逐漸在家庭、工業與交通能源供應中普及。這些氣體或燃料，來自對有機物質的發酵，例如 糞便、污泥、有機廢棄物、草類、玉米、甘蔗。用來進行發酵的槽體，其實就是一種生物反應器，它必須維持在 38–40°C 的溫度並持續攪拌，確保微生物能穩定分解有機物，產生沼氣或生質燃料。對這項技術而言，溫度與攪拌控制是製程穩定的關鍵，任何偏差都可能影響產率與能源品質。
