PHCbi LiCellGrow Cell Expansion System (with glucose/lactate In-Line monitoring/control function)
什麼是生物反應器？從基本原理到 LiCellGrow™ 細胞擴增系統實例
生物反應器（Bioreactor）是一種容器或系統，用來支撐並精確控制一個有生物活性的環境，讓活細胞、微生物或酵素在裡面生長、增殖或進行生化反應。用白話講，它像是一座專門照顧細胞的「微型工廠」。生物製藥、學術研究、工業生技，以及疫苗與細胞治療的生產，都需要靠它把生物程序放大。
條列解釋
定義容器＋主動監控
生物反應器在容器上配備感測器與控制系統，讓培養條件在體積從毫升放大到數千公升時，仍然保持穩定、均勻。正是這種主動控制，讓它和一般的桶子或燒瓶不同。
起源從發酵槽演進而來
生物反應器的應用可追溯到 1800 年代末期，當時的推動力是微生物學與發酵研究的進步。之後它從簡單的批次發酵槽，逐步發展成環境控制更精密的複雜系統。
構造五大主要元件
- 容器：裝培養液和生物體的主體，材質可以是玻璃、不鏽鋼或塑膠
- 攪拌系統：讓養分與氧氣分布均勻，常見的有葉輪、磁力攪拌或搖擺平台
- 通氣系統：用氣體分佈器（sparger）把空氣或純氧打進培養液
- 溫度與 pH 控制：溫度靠加熱夾套、冷卻盤管或熱交換器維持，pH 則靠添加酸或鹼來調整
- 感測與控制系統：監測溫度、pH、溶氧和生物量，並自動修正到設定值
原理供氧與混合
- 氧氣供應：好氧程序特別依賴氧氣傳遞，通常透過打入空氣或純氧，再搭配擋板和葉輪增加混合與氣體交換。
- 混合：攪拌的目的是避免溫度、養分濃度和細胞密度出現梯度差異。
- 衡量指標：容積氧傳遞係數（kLa）用來衡量氧氣從氣相進入液體的效率，數值越高代表傳氧越好。
類型常見的七種生物反應器
- 攪拌槽式（STR）：最經典、也最常見的設計，是一個圓柱形容器，內有馬達驅動的葉輪。最常用的葉輪是四葉片圓盤渦輪（Rushton 型）。
- 氣升式：從底部注入氣體，讓有氣泡和沒氣泡的區域產生密度差，藉此推動液體循環，完全不需要機械攪拌。
- 氣泡塔式：在高大的圓柱底部打氣，靠上升的氣泡柱混合內容物。
- 流化床式：固定化的酵素或細胞附著在固體顆粒上，由向上流動的液體托起懸浮，常用於廢水處理。
- 填充床式：生物催化劑固定在床體的固體顆粒上，培養液持續流過。
- 光生物反應器：專門培養微藻、藍綠菌等行光合作用的生物，需要自然光或人工光源。
- 一次性（拋棄式）：接觸產品的部分是預先以伽瑪射線滅菌的塑膠袋，裝在可重複使用的支架裡，每批生產完就丟棄。本文第三部分介紹的 LiCellGrow™ 就屬於這一類。
模式四種運轉方式
- 批次：中途不加也不取任何東西。
- 饋料批次：過程中補充新鮮養分，能延長培養時間，因此是最常用的模式。
- 灌流：移除乳酸等有害物質，讓培養撐得比饋料批次更久。
- 連續：細胞生長速率等於死亡速率，達到穩態。
應用從藥物到污水
- 生物製藥：抗生素、疫苗、重組蛋白、單株抗體
- 工業生技：酵素、生質燃料、生物聚合物
- 組織工程：製作模擬天然組織的三維構造，用於再生醫學與藥物測試
- 污水處理：活性污泥系統、膜生物反應器、厭氧消化槽
- 新興領域：培養肉與細胞治療研究
優點可控、可放大
- 能更精準地控制培養條件、提高生產力
- 可以從實驗室規模放大到工業規模
- 製程參數容易調整與最佳化
限制成本、污染與放大
- 有污染風險，初期設置和營運成本都高
- 放大困難，還有法規與環境方面的問題
- 從實驗室放大到工業規模時，系統表現可能明顯改變，每個階段都要重新最佳化和驗證
- 攪拌槽式常見起泡問題，需要加消泡劑，但有些消泡劑反而會抑制微生物生長
比較與相近概念的差異
- 發酵槽（Fermenter）：較早的用語，源自傳統的酵母、細菌發酵。「生物反應器」範圍更廣，還包含哺乳動物細胞、昆蟲細胞、植物細胞培養，以及無細胞的酵素反應。發酵槽通常算是生物反應器的一種，但不是每台生物反應器都適合叫發酵槽。
- 搖瓶與培養箱：搖瓶缺乏閉迴路控制，不能主動校正 pH 或溶氧。培養箱只控制周圍空氣，不控制液體培養物本身。
- 未來趨勢：未來的方向包括整合 3D 列印、微流體和一次性系統，並導入人工智慧與機器學習來最佳化效能。
表格整理
| 項目 | 說明 |
|---|---|
| 定義 | 能主動控制環境、讓細胞或微生物生長與生產的容器系統 |
| 控制參數 | 溫度、pH、溶氧、攪拌、養分與氣體供給 |
| 核心構造 | 容器、攪拌器、通氣器、溫控與 pH 控制、感測器 |
| 主要應用 | 生物藥（抗體、疫苗）、酵素、生質燃料、污水處理、組織工程、培養肉 |
| 優點 | 條件穩定、再現性高、可放大、產量高 |
| 缺點 | 成本高、有污染風險、放大困難、會起泡 |
| 類型 | 混合方式 | 適合對象 | 優點 | 缺點 |
|---|---|---|---|---|
| 攪拌槽式 | 機械葉輪 | 用途最廣，微生物與細胞都適用 | 氣體傳遞效率高、混合好、溫控佳 | 需要軸封與軸承、會起泡、耗電量大 |
| 氣升式 | 氣體注入造成循環 | 對剪力敏感的細胞、污水處理 | 沒有活動零件、好維護、容易滅菌 | 需要大量空氣與壓力，基質濃度不易均勻 |
| 氣泡塔式 | 氣泡上升 | 植物細胞、化學品 | 結構簡單、散熱好 | 效率較低 |
| 流化床／填充床 | 液體流經固定化細胞 | 污水處理、固定化酵素 | 能連續操作、細胞密度高 | 填充床很難清洗，觸媒也難更換 |
| 光生物反應器 | 攪拌或打氣加光照 | 微藻、藍綠菌 | 可用於固碳、生質燃料 | 初期成本很高，也不易滅菌 |
| 比較面向 | 不鏽鋼（可重複使用） | 一次性（拋棄式） |
|---|---|---|
| 清洗滅菌 | 需要原位清洗（CIP）和原位滅菌（SIP） | 完全不需要 CIP |
| 換線時間 | 同一產品換批約 6–10 小時 | 約 2 小時 |
| 最大規模 | cGMP 生產批量可達 10,000 公升 | 約 2,000 公升以內 |
| 成本結構 | 前期資本支出高，但每批沒有耗材費 | 每批都要買袋子、管路等耗材 |
| 交叉污染 | 依賴滅菌驗證 | 批次之間幾乎沒有交叉污染風險 |
| 主要疑慮 | 耗水、耗能 | 可溶出物與萃取物問題、塑膠廢棄物，傳氧能力也較低，多用於哺乳動物細胞 |
| 模式 | 做法 | 特點 |
|---|---|---|
| 批次 | 一次加好養分，中途不加不取 | 最簡單，產量較低 |
| 饋料批次 | 過程中分次補充養分 | 最常用，細胞密度與產量較高 |
| 灌流 | 持續換掉舊培養液並留住細胞 | 培養時間長、產量高，但操作較複雜 |
| 連續 | 持續進料、持續出料，維持穩態 | 批次之間沒有停機時間，產品也沒有批次差異 |
實例：PHCbi LiCellGrow™ 細胞擴增系統
了解生物反應器的基本概念後，來看一個針對細胞與基因治療（CGT）設計的新型生物反應器。LiCellGrow™ 是日本 PHC 公司生醫事業部（PHCbi）開發的細胞擴增系統（Cell Expansion System）。它最大的特色，是能即時「看見」細胞的代謝狀態，並自動調整培養條件。
為什麼需要它？細胞治療的品質難題
CAR-T 等細胞治療是以活細胞作為原料，但每批細胞的特性都不同，製程本身也會有變異，所以產品品質很難穩定。要提升品質，關鍵在於掌握細胞在整個製程中的狀態。傳統做法只監測 pH 和溶氧，很難直接反映細胞「吃得好不好、長得好不好」。
核心原理：從葡萄糖與乳酸看細胞代謝
糖解作用（Glycolysis）是細胞主要的能量代謝途徑之一：細胞消耗葡萄糖，產生乳酸。因此只要追蹤這兩種物質的濃度變化，就能推知細胞目前的狀態。
中：控制示意 葡萄糖（藍）逐漸下降、乳酸（橘）逐漸上升；當葡萄糖接近設定門檻時自動換液，濃度隨即回復。
右：控制流程 控制器讀取感測值，再回饋控制進液泵與廢液泵。
系統的運作可以拆成四個步驟：
- 連續量測：培養袋上的 In-Line 感測器即時量測葡萄糖與乳酸，以連續曲線呈現，不需人工取樣。
- 換算與視覺化：量測值換算成濃度，顯示在控制電腦的觸控螢幕上，讓研究人員直接看到細胞狀態。
- 回饋控制：控制器依濃度判斷時機，啟動進液泵從儲液袋補充新鮮培養基。
- 排出廢液：同時啟動廢液泵，把含乳酸的舊培養液排到廢液袋，讓細胞始終處在最適合的環境。
這項感測技術建立在 PHCbi 三十多年的血糖感測器開發經驗上，屬於電化學量測平台。它的前身是 PHCbi 的活細胞代謝分析儀 LiCellMo™，LiCellGrow™ 則在監測之外，進一步加入了自動控制。
系統組成：三個袋子＋處理裝置＋控制電腦
儲液袋（Reservoir Bag）：裝新鮮培養基，供系統自動補液。
培養袋（Culture Bag）：細胞生長的地方，具透氣性，並裝有 In-Line 感測器。
廢液袋（Waste Bag）：收集排出的舊培養液。
處理裝置（Processor）：裝有進液泵與廢液泵，放在使用者自有的二氧化碳培養箱裡，由培養箱負責控制溫度與 CO₂。
控制電腦（Controller）：15.6 吋觸控螢幕，負責顯示數據、設定條件與回饋控制。
三大特色
即時代謝監測
同時量測葡萄糖與乳酸，也能同時量測 pH 與溶氧，把細胞狀態量化成數據。
一次性密閉培養
專用透氣培養袋與感測器都是一次性使用，出貨前已用伽瑪射線滅菌。裝上即可開始培養，降低交叉污染風險。
支援 QbD 製程開發
「品質源於設計」（Quality by Design）強調從設計階段就考量品質。系統以代謝數據優化培養條件，幫助建立科學、再現性高的製程。
外觀與尺寸
| 項目 | 規格 |
|---|---|
| 產品名稱 | 細胞擴增系統（具葡萄糖／乳酸 In-Line 監測與控制功能） |
| 監測參數 | 葡萄糖、乳酸（同時量測）；pH、溶氧（同時量測） |
| 量測範圍 | 葡萄糖 1–27 mM；乳酸 1.5–15 mM |
| 監測時間 | 最長 10 天 |
| 主要裝置 | 控制器、處理裝置 |
| 一次性耗材 | 培養袋、感測器座、儲液／廢液袋、活化袋 |
| 培養袋容量 | 500 mL（最低培養量 100 mL）；1000 mL（最低培養量 300 mL） |
| 儲液／廢液袋容量 | 3000 mL |
| 控制器 | 寬 371 × 深 200 × 高 295 mm；15.6 吋寬螢幕觸控面板；2.5 kg（不含配件） |
| 處理裝置 | 寬 410 × 深 430 × 高 405 mm；17 kg；安裝於二氧化碳培養箱內 |
LiCellGrow™ 與傳統生物反應器有何不同？
| 比較面向 | 傳統攪拌槽式生物反應器 | LiCellGrow™ |
|---|---|---|
| 主要監測 | 溫度、pH、溶氧 | 葡萄糖、乳酸，加上 pH、溶氧 |
| 換液依據 | 預設時間或人工取樣後判斷 | 依即時代謝數據自動換液 |
| 溫度與氣體 | 反應器本身控制 | 交給既有的二氧化碳培養箱 |
| 培養容器 | 不鏽鋼或玻璃槽，需清洗滅菌 | 一次性透氣培養袋，已預先滅菌 |
| 規模 | 數公升到數千公升 | 500 mL 或 1000 mL 培養袋，研究與製程開發用 |
| 適合對象 | 微生物發酵、蛋白質與抗體量產 | CAR-T 等細胞治療用細胞的擴增 |
| 操作模式 | 批次、饋料批次、灌流、連續 | 以代謝門檻觸發換液，概念接近灌流式的自動化培養 |