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更新时间：2026-11-05 
浏览次数：3动物细胞培养做到中试规模，先撞上的往往不是培养基配方，而是 “氧"。细胞密度一上去，溶氧（DO）就掉；想把氧打进去，就得加大通气量；气泡一多，剪切力上来、泡沫层堆起来，细胞开始破损，抗体滴度或者病毒产量反而下降。这个死循环，几乎所有做 CHO、HEK293、Vero、iPS 衍生细胞的人都会遇到。
佐竹（SATAKE）的 VerSus Reactor 就是针对这个死循环设计的：把上下往复式搅拌（VMF）和能产生高均一微气泡的 SPG 膜曝气器组合在一起，用 “低剪切混合 + 高效溶解" 替代 “高转速 + 大通气"。本文按 VSR-05、VSR-1、VSR-3、VSR-10 四个机型，把原理、结构、参数、控制、选型和适用边界讲清楚。
微生物发酵可以粗暴搅拌，因为菌体有细胞壁，耐剪切。动物细胞没有细胞壁，直径通常在 10 到 20 微米，细胞膜一破就死。所以动物细胞反应器的设计目标，从一开始就不是 “混得越猛越好"，而是 “在足够低的剪切下，把营养物质和氧送到每一个细胞"。
剪切来自三个地方：
第一，叶轮速度。旋转式搅拌桨的叶端速度越高，局部剪切率越大。这是最直接的一刀。
第二，气泡。气泡从曝气器出来、上升、在液面破裂，全过程都在给细胞施加应力；气泡越大、破裂越剧烈，损伤越明显。
第三，液面与泡沫。泡沫层里的细胞被反复挤压、干燥，最后粘在壁上变成 “死体积"。
传统解法是加表面活性剂（如 Pluronic F-68）保护细胞、降低通气量、用大桨低转速。但这些都是 “补偿"，不是 “解决"：加了表活，下游纯化要多一道；降了通气，DO 又不够；大桨低转速，混合时间变长，局部 pH 和营养梯度就出来了。
佐竹的思路是换两条路：把搅拌方式从 “旋转" 改成 “上下往复"，把曝气方式从 “大泡" 改成 “膜分散微气泡"。前者降剪切，后者提效率。
佐竹是日本老牌机械企业，以稻米加工设备起家，后来把 “混合" 单独做成了一条技术线：设立搅拌技术专门研究所，长期研究 “流动及其效果"—— 不是研究桨叶长什么样，而是研究流体在罐内怎么走、走成什么样、对物料有什么影响。三十年的积累，才有了后面这些非常规的设计。
这条技术线的产品谱系很清楚：从工业混合机（Multi-S Mixer、Supermix 系列），到生物反应器的 VMF、MRF、HSF 系列，再到一次性系统与定制机。VerSus Reactor 属于其中 “实验室到小试" 这一段，是 VMF Reactor 的衍生型号：保留 VMF 的往复搅拌，加上 SPG 膜曝气器。该型号由佐竹与日挥株式会社（JGC）共同开发，SPG 膜曝气器本身则是宫崎县工业技术中心与日挥共同开发的产品。这套往复搅拌有保护（日本第 5702924 号、美国第 8246242 号）—— 对做工艺开发和放大的人来说，“搅拌方式本身有知识产权、有流体数据支撑" 比多几个传感器更重要。
VMF 全称是 Vertical Motion type，直译就是 “上下运动式"。它的结构不复杂：一根垂直的驱动轴，带动一个椭圆形状的专用叶轮，在培养槽内做上下往复运动，行程最大 40mm，翼端最大速度 300mm/s。
看起来只是换了个方向，实际差别很大。
第一，剪切力的量级不同。 旋转桨的剪切集中在叶尖那一圈，叶端速度通常是 500 到 2000 mm/s；VMF 的最大翼速是 300 mm/s，而且这个速度是 “整体上下" 的速度，不是 “叶尖扫过" 的速度。剪切率低一个量级，对没有细胞壁的动物细胞来说，这就是生与死的差别。
第二，剪切力是 “可调" 的，而且是线性可调的。 旋转式反应器调剪切，靠改转速，但转速一改，混合流型也跟着变，很难只动一个变量。VMF 的行程和频率可以分别设定，能在保持流型基本不变的前提下调整剪切强度 —— 做工艺开发时，“单变量实验" 能不能做成，直接决定 DoE 的效率。
第三，混合靠 “体积置换"，不靠 “打碎"。 叶轮上下运动时，把下方的液体整体往上推、上方的液体往下带，形成大尺度的循环。这种方式对高密度、易沉降的细胞（比如微载体上的贴壁细胞、细胞团）更友好，不容易在罐底形成死角。
第四，没有轴封。 这是容易被忽略但很关键的一点：VMF 采用线性轴驱动、无密封结构，配合隔膜、波纹管等密封形式，把培养槽和驱动部分隔开。旋转式反应器的搅拌轴要穿过罐体，轴封是污染风险和泄漏风险的主要来源之一，也是清洗验证的难点。往复式结构从原理上避开了这个位置。
第五，培养槽是玻璃的。 标准配置是玻璃槽，可以直接观察细胞状态、气泡形态、泡沫高度 —— 这对工艺开发的价值不用解释。需要不锈钢槽的，可以特注。
参数上，四个机型的槽体尺寸分别是内径 90× 深 200、110×169、140×203、200×360 毫米；实际装液量分别是 0.3L、1.2L、2.4L、7L。温控用带式加热器加 PID，控温精度 ±0.3℃（37℃ 时），并带过温保护（上限 80℃）。温度设定和往复运动设定都在触摸屏上输入，同时提供 DC 1～5V、DC 0～5V 的模拟记录输出，方便接数据记录仪。
这里要如实说一个边界：温控方式是 “室温 +5～20℃"，也就是只能往上加热，不能主动降温。做 37℃ 培养没问题，但如果工艺需要低于室温（比如某些低温驯化或特定细胞），就必须靠低温房间或外置冷却手段解决。这一点在选型阶段必须确认，否则样机到位才发现做不了。
VerSus 相比 VMF 的增量，就是这台 SPG 膜曝气器（SPG Membrane Sparger）。
SPG 是 Shirasu Porous Glass 的缩写，即 “鹿沼土多孔玻璃"。它的制造工艺能把玻璃做出非常均匀的微孔，孔径分布窄，所以通过它压出的气泡直径也高度均一 —— 这就是 “高均一性微气泡" 的来源。
它对细胞培养的意义有三层：
第一层，同样是供氧，气泡小则总表面积大。 气液传质的速率取决于气液界面面积。气泡直径缩小一个数量级，同样体积的气体所产生的界面面积就大一个数量级，氧传递效率随之提升。结果就是：要达到同样的 DO，通气流量可以显著降低。
第二层，通气量降低，泡沫和剪切同时下降。 气泡在液面破裂是剪切损伤的主要来源之一，通气量越大、气泡越大，破裂越剧烈。SPG 把 “大泡翻滚" 变成 “微泡弥散"，液面平静，泡沫层薄，很多工艺里甚至可以少加或不加消泡剂、少加 Pluronic 这类保护剂。这对下游纯化和法规申报都是实打实的好处。
第三层，微气泡是 “溶解型" 而不是 “翻腾型"。 微气泡上升速度慢、停留时间长，氧在上升过程中就溶进液体，而不是冲到液面才破。宏观表现是：罐内看不到明显的 “沸腾"，但 DO 稳得住。
把 VMF 和 SPG 放在一起，逻辑就闭环了：VMF 负责 “低剪切地把液体混匀"，SPG 负责 “低流量地把氧溶进去"。两者都在降低剪切，而供氧效率不降反升 —— 这是 VerSus 与常规搅拌槽最本质的区别。
VerSus 的四个型号按培养槽容积命名，参数如下（部分项目与 VMF 系列共用平台）：
| 项目 | VSR-05 | VSR-1 | VSR-3 | VSR-10 |
|---|---|---|---|---|
| 培养槽内径 × 深度 | 90×200 mm | 110×169 mm | 140×203 mm | 200×360 mm |
| 实际装液量 | 0.3 L | 1.2 L | 2.4 L | 7 L |
| 搅拌方式 | 上下往复（VMF），行程最大 40mm，翼速最大 300mm/s | 同左 | 同左 | 同左 |
| 搅拌翼 | VM200 | VM100＋VM200 | VM100＋VM200 | VM100＋VM200 |
| 温控方式 | 带式加热器 PID，过温保护（上限 80℃） | 同左 | 同左 | 同左 |
| 控温范围／精度 | 室温 + 5～20℃（常设 37℃）／±0.3℃ | 同左 | 同左 | 同左 |
| 加热器功率 | 60 W | 105 W | 160 W | 480 W |
| 电机最大输出 | 800 W | 800 W | 800 W | 800 W |
| 曝气 | SPG 膜曝气器（微气泡） | 同左 | 同左 | 同左 |
| 培养槽材质 | 玻璃（标准），不锈钢可特注 | 同左 | 同左 | 同左 |
| 外形尺寸 | W360×D485×H905 mm | 同左 | 同左 | 同左 |
| 重量 | 约 28 kg | 约 28 kg | 约 30 kg | 约 34 kg |
| 电源 | AC100V 50/60Hz | 同左 | 同左 | 同左 |
四个机型的机身外形、控制方式、搅拌原理一致，只有槽体和加热功率不同。这一点对做工艺开发的人很重要：从 VSR-05 换到 VSR-10，搅拌的流型机理没有变，放大时不需要重新理解一台设备，只需要重新标定参数。
VSR-05（0.3L 装液） 适合条件摸索、克隆筛选、培养基优化、种子扩增。装液量小，试剂消耗低，做 DoE 时一次能跑很多组；玻璃槽小，显微镜下观察也方便。
VSR-1（1.2L 装液） 是 “从培养皿 / 摇瓶转反应器" 的第一站。很多实验室的痛点是：摇瓶里长得好，一进反应器就不行。VSR-1 的低剪切环境能把这段落差压小，也适合做灌流、补料的初步验证。
VSR-3（2.4L 装液） 是工艺开发的主力。这个规模足够跑完整的补料分批、灌流、DO/pH 联动控制实验，数据量能满足放大到中试的需求，同时试剂成本还可控。
VSR-10（7L 装液） 用于中试放大前的验证和小规模生产，比如细胞治疗产品的批次生产、病毒载体的中小批量制备。它的槽体是四款里明显 “长起来" 的（内径 200× 深 360），高径比更接近生产罐，放大参考价值最大。
海外样本中，同系列机型也按槽体容积以毫升标注为 VSR-500、VSR-1500、VSR-3000、VSR-10000，与 VSR-05/1/3/10 是一一对应的，采购比对时注意型号写法即可。
反应器的 “另一半" 是控制器。VerSus 配的是佐竹专用的培养控制器 S-BOX×10αⅡ，独立的台式机箱（W350×D400×H530mm，约 15kg，SUS304 外壳），通过触摸屏操作，与反应器主机分开摆放。
它管四件事：pH 控制、DO 控制、O₂ 流量（FL）控制、蠕动泵开关。
测量与设定范围。 pH 0.00～14.00；DO 0.00～20.00 mg/L；O₂ 流量 0.00～20.00 mL/min。显示精度 ±0.5% F.S.，记录输出 DC 0～5V（可选负载率输出）。
控制方式。 pH 用 ON/OFF 控制（通过加酸 / 加碱的泵动作实现）；DO 提供多种策略 ——O₂ 加减算的步进控制、O₂ 与 N₂ 的 ON/OFF 控制、以及 O₂ 的 PI 控制（斜率设定方式，可按时间或百分比设定升量）；O₂ 流量用 PI 控制。这套策略的意义在于：不同细胞、不同阶段对 DO 的响应速度不一样，单一 PID 很难通吃，给几种可选的控制模式，实际调机时才有余地。
传感器。 标配梅特勒 - 托利多（Mettler Toledo）的极谱式 DO 传感器与 pH 传感器；可选小松川化工机的光学式 DO 传感器。光学式不需要极化、维护少，长时间连续培养更省心，这一点在做灌流时体现得明显。
气体与公用工程。 需要 N₂、O₂、CO₂、AIR 四路，接口是 φ6 快插接头，供气压力 0.2MPa；流量要求分别是 N₂ 50mL/min 以上、O₂ 20mL/min 以上、CO₂ 50mL/min 以上、AIR 150mL/min 以上。注意 O₂ 的需求量最小 —— 这正是 SPG 高效曝气带来的结果：不需要大流量，也能把 DO 顶上去。
记录。 pH、DO、O₂ 流量、搅拌频率、温度都有模拟输出，可接数据记录仪；搅拌频率与温度是 DC 1～5V，其余是 DC 0～5V。做工艺开发时，这些曲线就是批次放行的依据，也是偏差调查的证据。
要提醒一句：S-BOX 的控制是 “够用且可靠" 的取向，不是 “全参数联动" 的过程控制软件。它没有复杂的配方管理、审计追踪、电子签名这类面向 GMP 的功能。如果是细胞治疗、疫苗这类需要完整数据完整性的场景，通常要在外围加数据采集系统或做计算机化系统验证，这一点在项目初期就该明确。
| 维度 | VerSus（VMF＋SPG） | 传统搅拌槽 STR | 波浪式 / 摇摆袋 | 旋转瓶 / 滚瓶 |
|---|---|---|---|---|
| 剪切水平 | 低（翼速≤300mm/s，微气泡） | 中～高（叶端速度高） | 低 | 低～中 |
| 混合机制 | 上下往复，体积置换 | 旋转对流 | 液面波动 | 滚动贴壁 |
| 供氧效率 | 高（微气泡，低流量） | 中（依赖通气量与转速） | 低～中（表面通气为主） | 低（表面通气） |
| 泡沫控制 | 好（通气量低） | 一般（需消泡剂 / 表活） | 好 | 好 |
| 放大依据 | 翼速、行程、单位体积功率 | 叶端速度、P/V、kLa | 摇摆角度 / 频率 | 表面积 |
| 一次性 / 复用 | 复用（玻璃槽） | 两者皆有 | 一次性袋为主 | 复用 |
| 观察性 | 好（玻璃槽可视） | 视材质 | 差 | 好 |
| 适用规模 | 0.3～7L（本系列） | 0.1～20000L | 1～500L | 0.1～10L |
| 适合对象 | 剪切敏感细胞、高密度培养、工艺开发 | 通用，微生物与细胞通吃 | 种子扩增、温和扩增 | 贴壁细胞小规模 |
这张表的结论是：VerSus 不是 “通用型" 反应器，它的优势区间很明确 —— 剪切敏感的动物细胞、需要在实验室规模就把供氧和泡沫问题解决掉的工艺开发、以及要往一次性或中试放大过渡的项目。
反过来说，如果目标是高耗氧的微生物发酵（大肠杆菌、酵母高密度培养），VMF 的低剪切反而成了限制，应该看佐竹的 HSF 系列（高效涡轮 + 高气体分散）；如果是几十升以上的细胞培养生产，则要考虑 MRF、HSF 或者一次性袋系统。VerSus 的定位是 “实验室到小试"，不是 “生产罐"。
iPS 与干细胞衍生细胞。 这类细胞对剪切极其敏感，且常以细胞团形式存在，容易沉降、容易被打散。VMF 的低速体积置换混合，加上 SPG 的平静液面，是目前少数能在搅拌型反应器里兼顾 “混匀" 和 “不伤细胞" 的方案。佐竹在再生医学领域有专门的定制机型（VerMES，用于人工血小板生产，与京都大学 CiRA 江藤浩之教授团队及 Megakaryon 合作），技术同源。
CHO 与抗体、蛋白表达。 高密度补料分批时，DO 是最先顶不住的参数。SPG 用低通气量维持高 DO，减少表活用量，对下游纯化和质量属性都有好处。
HEK293 与病毒载体。 病毒载体生产对细胞状态敏感，剪切损伤会直接影响转染效率和产量。低剪切环境的价值在这里体现得最直接。
Vero、MDCK 等疫苗生产用细胞。 贴壁或微载体培养时，VMF 的上下流动对微载体悬浮更均匀，不容易在底部堆积。
细胞治疗产品的批次制备。 VSR-10 的 7L 装液量对应一个批次，玻璃槽可视、可反复使用，适合成本敏感又不能上大罐的场景。
一，细胞对剪切的敏感程度和聚团倾向。 这决定行程与频率的初始设定，也决定要不要微载体。
二，装液量是否落在机型区间内。 VSR-05 的 0.3L 到 VSR-10 的 7L，跨度是 20 倍以上，不要指望一台机器从克隆筛选做到中试。通常的配置是 VSR-05 做摸索、VSR-3 做开发、VSR-10 做验证。
三，供氧需求与 SPG 膜的通量匹配。 膜曝气器的通量与膜面积、孔径有关，高密度培养前要确认 DO 能否在目标细胞密度下维持，最好用样机做一次实测。
四，温度边界。 只能加热不能制冷，37℃ 常规培养没问题，低于室温的工艺要另配环境。
五，控制与数据要求。 S-BOX 面向工艺开发，若要做 GMP 相关的数据完整性，需要外围系统补足；这一点越早定越好。
六，放大路径。 VerSus 的放大依据是翼速、行程和单位体积功率，放大到 MRF 或 HSF 时，佐竹的搅拌研究数据可以支撑参数换算。采购时可以直接问：从 VSR-10 到下一级，推荐按哪个无量纲量放大，kLa 和剪切怎么平衡。
另外，实际落地还要考虑：玻璃槽的清洗与灭菌流程（可否高压灭菌、拆装便利性）、备件（膜曝气器、传感器、泵管）、洁净室摆放（机身 360×485×905mm，控制器另占一台桌面空间）、以及公用工程四路气体的接口位置。
设备好不好用，最终体现在 “一个批次能不能稳稳跑完"。按 VerSus 的结构，一个批次大致分五段：
准备。 玻璃槽清洗、烘干、组装，检查往复轴与隔膜 / 波纹管的密封状态；DO 传感器做零点与斜率校准，pH 传感器做两点校准（4.01 与 7.00，或按工艺区间选缓冲液）；管路、取样瓶、补料瓶按洁净要求处理；整机灭菌（可按材质选择高压灭菌或原位灭菌），冷却到工作温度后再接液。
接种。 先加预热的培养基，把温度、DO、pH 的设定值跑稳，再接种子。接种密度按细胞类型定，iPS 类通常偏高，CHO 类可以低一些。这一步最容易出的问题是 “冷冲击"—— 灭菌后槽体没降到位就接种，细胞直接受应激。
起转。 起始阶段不要把行程和频率拉满。先给一个较低的翼速，让细胞适应流场，观察 12 到 24 小时：如果细胞团明显被打散、活率下降，说明剪切偏高，往下调；如果罐底出现沉降、DO 曲线随搅拌周期性波动，说明混合不足，往上调。这个 “从低往高试" 的过程，就是 VMF 相对旋转桨最好用的地方 —— 它只动剪切，不动流型。
运行。 DO 用 PI 或步进策略，设定点不要一上来定得太高；pH 用 ON/OFF，注意死区设置，避免酸碱泵频繁动作造成局部过冲。补料按葡萄糖消耗或在线估算走，取样频率根据生长阶段调整，每次取样记录细胞密度、活率、葡萄糖、乳酸、氨。
收液。 先把搅拌降到低，静置让细胞团沉降，再从底部或侧口收液，减少收液时的机械损伤；随后按流程清洗、更换膜曝气器或做完整性检查。
几个常见的操作误区，值得单独写出来：一是 “一开始就拉满行程"，把工艺开发做成了应力实验；二是 DO 设定点盲目追高，氧过剩反而增加氧化应激；三是 pH 的 ON/OFF 死区设得太窄，酸碱泵来回动作；四是玻璃槽灭菌后未充分冷却就接种；五是长期培养时不检查膜曝气器的通量衰减，到后期 DO 顶不上去才找原因。
VerSus Reactor 的价值，不在于参数表上多了几个功能，而在于它把动物细胞培养里最难调和的一对矛盾 ——“要混匀" 和 “别伤细胞"—— 用两个非常规设计同时解掉了：VMF 把旋转改成往复，把剪切降下来；SPG 把气泡做小做匀，把供氧效率提上去。两者叠加，才让 “低剪切 + 高 DO + 少泡沫" 这种在传统搅拌槽里几乎不可能同时成立的组合，在 0.3L 到 7L 的尺度上变成常态。
对正在做 iPS、CHO、病毒载体、疫苗或细胞治疗工艺开发的团队，VSR-05/1/3/10 是一条清晰的路径：先用小体积把条件摸出来，再按同一套搅拌机理放大，不用在每一级重新学一台设备。这大概就是它最实际的市场位置。
（佐竹 VerSus Reactor 及配套 S-BOX 控制器的供货、选型与维修服务由深圳市九州工业品有限公司提供，日韩欧美进口工业仪器的现货供应与售后支持可一并对接。）
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