化学反应器和生物反应器之间有什么区别？为您的工艺选择合适的容器

从根本上讲，化学反应器和生物反应器之间的区别在于驱动转化的催化剂。化学反应器利用合成催化剂（如金属）或原始能量（热和压力）来促进反应，而生物反应器则采用生物制剂——例如活细胞、微生物或酶——来实现所需的化学转化。

根本的区别不在于容器本身，而在于其所包含过程的性质。化学反应器旨在承受苛刻的非生命过程，而生物反应器则被设计为敏感生物过程的生命支持系统。

决定性区别：催化剂的性质

催化剂的选择是唯一最重要的因素，它决定了后续所有的设计和操作决策。

在化学反应器中，反应由物理手段驱动。这通常涉及高温、高压和非生物催化剂。

这些催化剂，如铂、镍或各种沸石，通常非常坚固，能够承受极端的操作条件。主要目标是通过控制这些物理参数来最大化反应速率和产率。

生物反应器是设计用于维持和控制生物过程的容器。其“催化剂”是生命系统。

这些可以是细菌或酵母等微生物、更敏感的哺乳动物细胞，或从这些生物中分离出来的纯化酶。整个反应器环境必须量身定制，以保持这些生物制剂的活力、健康和生产力。

由于一个系统处理惰性化学物质，而另一个系统培养活生物体，它们的设计原理存在显著差异。

化学反应器可能在 500°C 和 150 个大气压下运行以生产氨。选择这些条件纯粹是为了热力学和动力学效率。

使用哺乳动物细胞生产治疗性抗体的生物反应器必须维持严格的、维持生命的条件：精确的 37°C、约 7.2 的中性 pH 值以及稳定的溶解氧供应。任何偏差都可能杀死细胞并终止过程。

生物反应器要求绝对无菌。任何外来微生物的污染都可能是灾难性的，因为它们可能会超过生产细胞的生长速度或分泌破坏产品的毒素。因此，生物反应器被设计成易于重复灭菌（使用高压蒸汽），或者被制成一次性、预先灭菌的塑料系统。

化学反应器主要关注化学纯度，而不是微生物污染。灭菌很少是设计考虑因素。

两种反应器类型都需要混合以确保反应物均匀分布。然而，方法截然不同。

化学反应器可以使用强大的高剪切力搅拌器来剧烈混合流体。相比之下，生物反应器——特别是用于缺乏保护性细胞壁的动物细胞的反应器——必须使用低剪切力搅拌器或更温和的混合方法（如摇摆平台）以避免损伤或杀死细胞。

处理高温下腐蚀性酸的化学反应器可能由异种玻璃衬里钢或哈氏合金等合金制成。

生物反应器通常由高度抛光的、无毒的 316L 不锈钢或医疗级塑料制成。主要的材料要求是它对细胞无毒，并且能够承受灭菌过程。

在化学过程和生物过程之间进行选择，需要评估一系列关键的权衡。

化学合成通常要快得多。可以通过加热和加压来大力驱动反应以实现高产量。

受细胞代谢率控制的生物过程通常较慢。然而，生物催化剂（酶）提供了无与伦比的特异性，通常只产生一种所需的异构体，几乎没有副产品，从而大大简化了下游纯化。

由于极端的操作条件，化学反应器的能源成本可能很高。它们还可能产生产物和副产物的混合物，从而导致复杂且昂贵的分离和纯化步骤。

生物反应器的成本很高，这与维持无菌状态和准备复杂、无菌的营养培养基有关。然而，它们的高特异性可以带来更纯净的产品流，从而降低精炼成本。

许多化学过程依赖于化石燃料衍生的原料和溶剂，并可能产生危险废物。

生物过程通常使用可再生原料（如糖或生物质），在温和条件下在水中操作，通常被认为更具可持续性或“绿色”。

使用化学反应器还是生物反应器的决定完全取决于所需的产物和选择的合成途径。

最终，在化学反应器和生物反应器之间的选择取决于您需要实现转化的基本性质。