生物反應器——製程的核心
簡單來說，生物反應器是一個進行生物製程的容器。生物反應器可配備簡單的手動控制，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，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、酵母或細胞的生長，從而完成所需的生物合成。這些添加物通常會在數天至數週的時間內持續加入。在生物反應器的製程控制中，流量控制器扮演極為重要的角色。細菌培養與細胞培養在體積流量上的差異非常顯著。
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。
生物反應器的歷史
藥品中微生物生成物質的研究與首次生產，始於第二次世界大戰期間。當時，人們發現青黴素在治療傷兵方面具有顯著優勢，並進一步認識到，利用細菌進行微生物製程，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，其中部分副產物的比例甚至遠高於目標物質本身。
在生物合成中，目標物質的產率通常遠高於化學合成。此外，這類合成過程往往能提供更簡單的分離方法。再者，細菌以及人體或動物細胞能合成特定物質，而這些物質在傳統化學合成中非常困難，甚至無法取得。
過去二十年間，強大的菌株分離技術與其他基因工程方法，使我們能夠生產、分離並大量培養具特定功能的菌株，讓它們能精準、選擇性且高效率地合成目標物質。大多數情況下，這些合成過程都是在所謂的生物反應器中進行。
生物反應器的應用
生物反應器的應用
食品與飲料產業
生物反應器廣泛應用於食品與飲料的生產，主要用於發酵製程。 以優格為例，這是一種透過在生物反應器中發酵牛奶所製成的產品，優格菌種屬於乳酸菌。再舉啤酒為例，在釀造過程中，酵母菌會將糖分轉化為酒精，這也是生物反應器應用的另一個典型案例。 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，生物技術的普及度會大幅提升呢？
藥物開發與生產
生物技術在藥物開發與生產中扮演越來越重要的角色，同時也應用於幹細胞的增殖，這兩者皆用於醫療治療。在設計與製造藥用活性成分時，上市時程、成本降低以及產品品質的一致性至關重要。因此，生物反應器的可靠性，以及能將製程從小型擴展至大型反應器的能力，成為極為重要的需求。
生質化學品與塑膠
生物技術的其他應用範例包括生質化學品與塑膠。研究人員正致力於開發可再生塑膠，這些塑膠由有機材料製成，並藉由酵素與微生物的作用完成。目前已經有相當吸引人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。 一個典型的生化製程案例，是利用微藻和陽光將二氧化碳轉化。
永續能源
邁向永續能源的轉型，是促進生物反應器應用的重要因素之一。像生物甲烷、生質乙醇和生質柴油等形式的沼氣與生質燃料，正逐漸在家庭、工業及運輸能源供應中普及。這些氣體或燃料，是透過發酵有機物質（例如糞便、污泥、有機廢棄物、草類、玉米、甘蔗）所產生。維持在 38–40°C 並持續攪拌的發酵槽，其實就是一種生物反應器。
