病毒疫苗生产的 “幕后功臣”：生物反应器如何重塑疫苗制造？

摘要：本文聚焦《Bioreactor Design Concepts for Viral Vaccine Production》第一章内容，从工业生物技术发展历程切入，系统梳理生物反应器在病毒疫苗生产中的核心地位。文中介绍了疫苗生产的历史里程碑、生物反应器的技术演进、不同类型反应器的应用场景，以及现代技术（如人工智能、循环经济）对疫苗生产的革新，同时解析了疫苗生产的关键流程与质量控制要点，为读者清晰呈现生物反应器如何成为连接实验室研究与工业化疫苗生产的核心桥梁。一、工业生物技术：疫苗生产的技术基石

工业生物技术是一门融合生物学、化学、工程学的交叉学科，核心是利用生物系统（如微生物、细胞）设计和优化工业生产流程，其发展为病毒疫苗规模化生产奠定了基础。

早在 19 世纪，路易・巴斯德（Louis Pasteur）的研究就为这一领域埋下伏笔。1857 年，他发现微生物不仅会导致食品变质，还能在可控条件下产生有用产物，这一发现开启了微生物在工业生产中的应用；他提出的巴氏消毒法（Pasteurization）通过加热培养基杀灭微生物，既保障了生产安全性，又延长了产品保质期；同时，他的 germ theory（ germ theory）明确了微生物在工业生物过程中的作用，为后续疫苗生产中精准控制微生物或细胞培养条件提供了理论依据。

20 世纪是工业生物技术爆发期。1928 年，亚历山大・弗莱明（Alexander Fleming）发现青霉素，这种对革兰氏阳性菌有抗菌作用的物质，在二战期间催生了抗生素大规模生产需求。1942 年，青霉素量产启动，标志着工业生物技术正式进入医疗健康领域，也为后续病毒疫苗的工业化生产积累了发酵工艺、无菌控制等关键技术。

进入 21 世纪，工业生物技术朝着更高效、可持续的方向发展，出现了五大核心趋势：

先进发酵技术：如连续发酵、补料分批发酵等技术，能提升生产效率、减少浪费并降低成本，例如在疫苗生产中，补料分批发酵可通过阶段性补充营养，维持细胞或微生物的持续高效增殖，提高病毒产量。

循环经济：强调资源的可持续利用，在疫苗生产中体现为废弃物减少、原料回收（如发酵废水处理后回用）以及可再生原料（如植物源培养基成分）的开发，降低产业对环境的影响。

人工智能与机器学习：可优化生产参数（如温度、pH 值）、预测产品质量与产量，还能助力筛选更优的微生物或细胞株，例如通过 AI 分析大量培养数据，找到最适合病毒复制的生物反应器运行条件。

基因工程：能改造微生物或细胞特性，如提高产物产量、增强环境耐受性，在疫苗生产中，可通过基因工程改造细胞系（如 CHO 细胞、Vero 细胞），使其更易被病毒感染并高效产生抗原。

组学技术（基因组学、蛋白质组学）：快速解析微生物或细胞的基因组、蛋白质组信息，助力识别新的代谢途径，优化现有生产流程，例如通过基因组学找到影响病毒复制的关键基因，进而调整培养策略。

二、疫苗生产的历史里程碑：从传统到现代

疫苗是预防传染病的关键手段，其生产技术的每一次突破都与生物反应器的发展紧密相关。

2.1 疫苗的起源与早期发展

1798 年，爱德华・詹纳（Edward Jenner）完成了人类历史上首次成功的疫苗接种：他给 8 岁男孩詹姆斯・菲普斯（James Phipps）接种牛痘，待男孩康复后再接触天花病毒，男孩未患病，证明牛痘可诱导对天花的免疫力。这一发现不仅开创了疫苗学，还确立了 “利用弱化或相关病原体诱导免疫” 的核心思路，为后续疫苗生产指明方向。

19 世纪，疫苗生产逐步标准化。随着 germ theory（ germ theory）的普及，科学家明确了疾病由微生物引起，这推动了疫苗生产中 “精准培养病原体” 的需求。路易・巴斯德在 1885 年开发出狂犬病疫苗，通过弱化病毒（降低病毒毒性）并注射到患者体内，刺激免疫系统产生保护反应；他还研发了炭疽疫苗，进一步完善了 “通过体外培养弱化病原体制备疫苗” 的工艺，此时虽未出现现代意义上的生物反应器，但已开始使用简单的培养容器控制微生物生长条件。

同一时期，疫苗生产设施开始建立。美国纽约市卫生局设立了首个疫苗生产设施，主要生产天花疫苗，标志着疫苗生产从实验室走向规模化、规范化，也促使人们思考如何设计更高效的容器（即早期生物反应器雏形）来满足大规模培养需求。

2.2 现代疫苗生产技术革新

20 世纪中期后，细胞培养技术的突破彻底改变疫苗生产格局。早期疫苗多依赖鸡胚（如流感疫苗），但鸡胚培养存在易受污染、产量有限且可能引发过敏等问题。随着细胞系（如 Vero 细胞、MRC-5 细胞）的开发，疫苗生产逐渐转向细胞培养，而这一转变的核心支撑正是生物反应器的技术进步 —— 通过生物反应器精准控制温度、pH、溶解氧等参数，为细胞提供稳定的生长环境，保障病毒高效复制。

现代疫苗生产已形成多样化技术路线，主要分为全病毒疫苗和组分病毒疫苗两大类，不同类型疫苗的生产流程与生物反应器选择存在差异，具体分类如下表所示：

表 1：病毒疫苗类型及原理示例

三、生物反应器：病毒疫苗规模化生产的核心装备

生物反应器是为微生物、细胞提供可控生长环境的专用设备，在病毒疫苗生产中，其核心作用是实现 “从实验室小规模培养到工业化大规模生产” 的转化，保障疫苗产量、质量与安全性。

3.1 生物反应器的技术演进

早期生物反应器较为简单，如用于葡萄酒、啤酒发酵的木质容器，仅能提供基础的培养空间。20 世纪 30 年代，中欧首次将大型aerobic fermentors（aerobic fermentors）用于压缩酵母生产，这种反应器为圆柱形罐体，通过底部的多孔管通入空气，后续又加入机械搅拌器以提高混合效率和气泡分散度，同时在罐壁设置挡板防止液体形成漩涡，这些设计大幅降低了压缩空气需求，也为后续疫苗生产中需氧气的细胞培养（如 Vero 细胞）提供了设备原型。

1934 年，Strauch 和 Schmidt 申请了一项关键专利：在通气管中引入水和蒸汽，用于清洁和灭菌，这一设计解决了早期生物反应器难以实现无菌操作的痛点，为疫苗生产中避免杂菌污染提供了技术保障。而青霉素生产的需求进一步推动生物反应器升级 —— 青霉素生产需严格的无菌条件、良好的通气和搅拌，倒逼科学家设计出专用的发酵容器，这些容器的结构、无菌控制、参数监测技术，直接为后续病毒疫苗生产用生物反应器奠定基础。

1950 年，印度 Hindustan Antibiotic Ltd. 在普纳（Pimpri, Pune）建立了首个中试发酵罐，标志着生物反应器技术开始在发展中国家应用，也推动了疫苗生产技术的全球化普及。

3.2 病毒疫苗生产中常用的生物反应器类型

不同病毒疫苗的生产需求（如细胞类型、病毒特性）不同，需匹配不同类型的生物反应器，常见类型及应用如下：

搅拌罐生物反应器（Stirred-Tank Bioreactor）：最常用的类型，通过搅拌器实现培养基混合、氧气传递，适用于悬浮细胞（如 CHO 细胞、MDCK 细胞）培养，可用于流感疫苗、重组蛋白疫苗生产。其优点是参数控制精准（温度、pH、溶解氧可实时监测调整）、 scalability（可从实验室规模（几升）扩展到工业规模（数千升））强。

鼓泡塔生物反应器（Bubble Column Bioreactor）：通过气体鼓泡实现搅拌和氧气传递，结构简单、无机械搅拌部件，适合对剪切力敏感的细胞培养，在一些病毒疫苗（如狂犬病疫苗）生产中可减少细胞损伤。

气升式生物反应器（Airlift Bioreactor）：利用导流管形成循环流，混合效率高且剪切力低，适用于悬浮细胞或固定化细胞培养，可用于病毒载体疫苗的生产，能保障细胞均匀接触营养和氧气，提高病毒产量。

波浪式生物反应器（Wave Bioreactor）：属于一次性生物反应器（Single-Use Bioreactor, SUB），通过平台上下运动产生波浪式搅拌，无需机械部件，污染风险低、操作灵活，适合小规模研发或紧急疫苗生产（如新冠疫苗应急生产），最大容量可达 500L。

固定床生物反应器（Fixed-Bed Bioreactor）：以微载体、多孔纤维等为固定基质，细胞附着在基质上生长，适合贴壁细胞（如 Vero 细胞）培养，在脊髓灰质炎疫苗、乙肝疫苗生产中应用广泛，可实现高细胞密度培养，提高病毒产量。

中空纤维生物反应器（Hollow-Fiber Bioreactor）：利用中空纤维分隔细胞培养区和培养基流动区，纤维提供大比表面积供细胞附着，且能高效传递营养和移除废物，适合贴壁细胞培养，可用于病毒样颗粒疫苗生产，能维持细胞长期稳定生长。

图1：病毒疫苗生产中常用的生物反应器类型示意图

3.3 一次性生物反应器（SUB）的崛起

传统生物反应器多为不锈钢材质，需反复清洁、灭菌，存在交叉污染风险且操作繁琐。一次性生物反应器（Single-Use Bioreactor, SUB）采用一次性塑料材质（如聚乙烯），使用后直接丢弃，具有三大核心优势：

无需清洁与验证：省去传统反应器清洁、灭菌及相关验证步骤，大幅缩短生产周期，尤其适合疫苗应急生产（如突发传染病疫苗研发）。

降低交叉污染风险：每个生产批次使用全新反应器，彻底避免不同批次产品间的交叉污染，保障疫苗安全性。

灵活性高：可快速切换生产规模或产品类型，且占用空间小，适合多品种疫苗生产企业。

在病毒疫苗生产中，SUB 已广泛应用于小规模研发、中试及部分大规模生产，如新冠 mRNA 疫苗生产中，SUB 可快速搭建生产流程，满足紧急供应需求。不过，SUB 也存在成本较高（一次性耗材费用）、大规模生产时材质稳定性需严格控制等问题，目前行业正通过优化耗材材质、提高规模化采购效率等方式降低成本。

四、病毒疫苗的工业化生产流程：生物反应器的关键应用环节

病毒疫苗工业化生产是复杂的系统工程，生物反应器贯穿核心环节，需精准控制每一步骤以保障疫苗质量与产量，具体流程如下：

4.1 抗原生产：生物反应器的核心作用阶段

抗原是疫苗诱导免疫反应的关键成分，其生产依赖生物反应器中的细胞或微生物培养：

接种：将目标病毒感染的细胞（如 Vero 细胞感染流感病毒）或携带抗原基因的工程细胞（如 CHO 细胞携带乙肝表面抗原基因）接入生物反应器，接种量需根据反应器规模和细胞生长特性确定，确保后续能快速进入对数生长期。

培养与增殖：生物反应器维持最佳培养条件（温度 37℃左右、pH 7.2-7.4、溶解氧 30%-50%），细胞或微生物在培养基中增殖，同时病毒在宿主细胞内复制（或工程细胞表达抗原）。此阶段需通过生物反应器的传感器实时监测参数，如发现 pH 下降，可自动添加碱液调整；溶解氧不足时，增加通气量或搅拌速度。

收获：当细胞密度或病毒滴度达到目标值后，收获培养物。若抗原在细胞内，需破碎细胞后收集；若在培养液中，可直接收集上清，后续进入纯化环节。

4.2 纯化与制剂：保障疫苗安全性与有效性

收获的粗制抗原含细胞碎片、杂质蛋白等，需经过多步纯化（如离心、过滤、层析），去除杂质并保留有效抗原。纯化后的抗原与佐剂（如铝佐剂，增强免疫反应）、稳定剂（如蔗糖，保持抗原稳定性）等混合，制成疫苗制剂，再灌装到西林瓶或预充注射器中，密封后进行灭菌（如终端灭菌或无菌灌装）。

4.3 质量控制：贯穿全程的关键保障

疫苗生产全程需严格质量控制，生物反应器运行阶段的质量控制尤为关键，包括：

无菌控制：确保反应器内无杂菌或外源病毒污染，定期取样检测微生物指标。

参数监控：实时记录温度、pH、溶解氧、搅拌速度等参数，确保符合生产标准，数据可追溯。

产物检测：定期检测细胞密度、病毒滴度或抗原含量，确保生产过程稳定，如发现病毒滴度下降，需及时调整培养条件（如补充营养、调整 pH）。

最终成品疫苗还需检测纯度、效价、安全性（如无外源因子）等指标，全部合格后方可上市使用。

五、总结与展望

生物反应器是病毒疫苗工业化生产的 “心脏”，从早期简单的发酵容器到现代智能化、一次性反应器，其技术演进推动疫苗生产从传统经验型走向精准可控型。当前，随着传染病防控需求的提升，以及人工智能、基因工程、循环经济等技术的融合，生物反应器将朝着更高效（如更高细胞密度培养）、更安全（如更严格的无菌控制）、更可持续（如更低能耗、更少废弃物）的方向发展。

未来，生物反应器还将在新型疫苗（如多联疫苗、个性化疫苗）生产中发挥关键作用，例如通过模块化设计，实现同一反应器快速切换生产不同类型疫苗；结合微流控技术，开发微型生物反应器用于个性化疫苗的小批量生产。可以说，生物反应器技术的持续创新，将为全球传染病防控提供更强大的疫苗生产支撑，守护人类健康。

识别微信二维码，添加生物制品圈小编，符合条件者即可加入

生物制品微信群！

请注明：姓名+研究方向！

本公众号所有转载文章系出于传递更多信息之目的，且明确注明来源和作者，不希望被转载的媒体或个人可与我们联系(cbplib@163.com)，我们将立即进行删除处理。所有文章仅代表作者观不本站。