動物細胞大規(guī)模培養(yǎng)的生物反應器操作模式，一般分為分批式操作（batch）、流加式操作（Fed-batch）、半連續(xù)式操作（semi-continuous）、連續(xù)式操作（continuous）和灌流式操作（perfusion）五種操作模式。 

1. 批式操作（batch culture） 
    批式操作是動物細胞規(guī)模培養(yǎng)進程中較早期采用的方式，也是其它操作方式的基礎。該方式采用機械攪拌式生物反應器，將細胞擴大培養(yǎng)后，一次性轉入生物反應器內(nèi)進行培養(yǎng)，在培養(yǎng)過程中其體積不變，不添加其它成分，待細胞增長和產(chǎn)物形成積累到適當?shù)臅r間，一次性收獲細胞、產(chǎn)物、培養(yǎng)基的操作方式。 
    該方式的特點:(1) 操作簡單。培養(yǎng)周期短，染菌和細胞突變的風險小。反應器系統(tǒng)屬于封閉式，培養(yǎng)過程中與外部環(huán)境沒有物料交換，除了控制溫度、pH值和通氣外，不進行其他任何控制，因此操作簡單，容易掌握；(2)直觀的反應細胞生長代謝的過程。 由于培養(yǎng)期間細胞的生長代謝是在一個相對固定的營養(yǎng)環(huán)境，不添加任何營養(yǎng)成分,因此可直觀的反應細胞生長代謝的過程,是動物細胞工藝基礎條件或"小試"研究常用的手段；(3)可直接放大。由于培養(yǎng)過程工藝簡單，對設備和控制的要求較低，設備的通用性強，反應器參數(shù)的放大原理和過程控制，比較其它培養(yǎng)系統(tǒng)較易理解和掌握，在工業(yè)化生產(chǎn)中分批式操作是傳統(tǒng)的、常用的方法，其工業(yè)反應器(Genetech)規(guī)模可達12000L。
    分批培養(yǎng)過程中，細胞的生長分為五個階段：延滯期、對數(shù)生長期、減速期、平穩(wěn)期和衰退期。分批培養(yǎng)的周期時間多在3~5天，細胞生長動力學表現(xiàn)為細胞先經(jīng)歷對數(shù)生長期（48~72h）細胞密度達到最高值后，由于營養(yǎng)物質耗劫或代謝毒副產(chǎn)物的累積細胞生長進入衰退期進而死亡，表現(xiàn)出典型的生長周期。收獲產(chǎn)物通常是在細胞快要死亡前或已經(jīng)死亡后進行。 
    經(jīng)過改進的攪拌式生物反應器，目前仍是大規(guī)模培養(yǎng)動物細胞用以生產(chǎn)各種藥物的主要設備，也是早期用以生產(chǎn)單抗的主要途徑。在用攪拌式生物反應器分批式培養(yǎng)單抗中，最多采用的是微囊或巨載體培養(yǎng)。與一般的懸浮培養(yǎng)比較，雜交瘤細胞依托微囊化或巨載體后，相對固定化，降低了攪拌培養(yǎng)時對細胞的剪切力，提高了細胞的密度和穩(wěn)定性及生產(chǎn)率。在1986年以前，采用此種方式培養(yǎng)的雜交瘤細胞就有100多種。

2. 流加式操作（fed-batch culture） 
    流加式操作是在批式操作的基礎上，采用機械攪拌式生物反應器系統(tǒng)，懸浮培養(yǎng)細胞或以懸浮微載體培養(yǎng)貼壁細胞，細胞初始接種的培養(yǎng)基體積一般為終體積的1/2 ～1/3，在培養(yǎng)過程中根據(jù)細胞對營養(yǎng)物質的不斷消耗和需求，流加濃縮的營養(yǎng)物或培養(yǎng)基，從而使細胞持續(xù)生長至較高的密度，目標產(chǎn)品達到較高的水平，整個培養(yǎng)過程沒有流出或回收，通常在細胞進入衰亡期或衰亡期后進行終止回收整個反應體系，分離細胞和細胞碎片，濃縮、純化目標蛋白。
流加培養(yǎng)主要有以下特點：
1） 流加培養(yǎng)根據(jù)細胞生長速率、營養(yǎng)物消耗和代謝產(chǎn)物抑制情況，流加濃縮的營養(yǎng)培養(yǎng)基，流加的速率通常與消耗的速率相同，根據(jù)測得的底物濃度控制相應的流加過程，以保證合理的培養(yǎng)環(huán)境與較低的代謝產(chǎn)物抑制水平。
2） 培養(yǎng)過程以低稀釋率流加，細胞在培養(yǎng)系統(tǒng)中停留時間較長，總細胞密度較高，產(chǎn)物濃度較高。
3） 流加培養(yǎng)過程須掌握細胞生長動力學，能量代謝動力學，研究細胞環(huán)境變化時的瞬間行為。流加培養(yǎng)細胞培養(yǎng)基的設計和培養(yǎng)條件與環(huán)境優(yōu)化，是整個培養(yǎng)工藝中的主要內(nèi)容。
4） 在工業(yè)化生產(chǎn)，懸浮流加培養(yǎng)工藝參數(shù)的放大原理和過程控制，比較其它培養(yǎng)系統(tǒng)較易理解和掌握，可采用工藝參數(shù)的直接放大。
    流加培養(yǎng)工藝是當前動物細胞培養(yǎng)工藝中占有主流優(yōu)勢的培養(yǎng)工藝，也是近年來動物細胞大規(guī)模培養(yǎng)研究的熱點。流加培養(yǎng)工藝中的關鍵技術是基礎培養(yǎng)基和流加濃縮的營養(yǎng)培養(yǎng)基。通常進行流加的時間多在指數(shù)生長后期，細胞在進入衰退期之前，添加高濃度的營養(yǎng)物質�？梢蕴砑右淮�，也可添加多次，為了追求更高的細胞密度往往需要添加一次以上，直至細胞密度不再提高；可進行脈沖式添加，也可以降低的速率緩慢進行添加，但為了盡可能的維持相對穩(wěn)定的營養(yǎng)物質環(huán)境，后者采用較多；添加的成分比較多，凡是促細胞生長的物質均可以進行添加。流加的總體原則是維持細胞生長相對穩(wěn)定的培養(yǎng)環(huán)境，營養(yǎng)成分即不過剩而產(chǎn)生大量的代謝副產(chǎn)物造成營養(yǎng)利用效率下降而成為無效的利用；也不缺乏導致細胞生長抑制或死亡。
流加工藝中的營養(yǎng)成分主要分為三大類：
1） 葡萄糖。葡萄糖是細胞的供能物質和主要的碳源物質，然而當其濃度較高是會產(chǎn)生大量的代謝產(chǎn)物乳酸，因而需要進行其濃度控制，以足夠維持細胞生長而不至于產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物的濃度為佳；
2） 谷氨酰胺。谷氨酰胺是細胞的供能物質和主要的氮源物質，然而當其濃度較高是會產(chǎn)生大量的代謝產(chǎn)物氨，因而也需要進行其濃度控制，以足夠維持細胞生長而不至于產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物的濃度為佳；
3） 氨基酸、維生素及其他。主要包括營養(yǎng)必需氨基酸、營養(yǎng)非必需氨基酸、一些特殊的氨基酸如羥脯氨酸、羧基谷氨酸和磷酸絲氨酸；此外還包括其他營養(yǎng)成分如膽堿、生長刺激因子。添加的氨基酸形式多為左旋氨基酸，因而多以鹽或前體的形式替代單分子氨基酸，或者添加四肽或短肽的形式。在進行添加時，不溶性氨基酸如胱氨酸、酪氨酸和色氨酸只在中性pH值部分溶解，可采用泥漿的形式進行脈沖式添加；其他的可溶性氨基酸以溶液的形式用蠕動泵進行緩慢連續(xù)流加。
流加式操作分為兩種類型：單一補料分批式操作和反復補料分批式操作。
1） 單一補料分批式操作是在培養(yǎng)開始時投入一定量的基礎培養(yǎng)液，培養(yǎng)到一定時期，開始連續(xù)補加濃縮營養(yǎng)物質，直到培養(yǎng)液體積達到生物反應器的最大操作容積，停止補加，最后將細胞培養(yǎng)液一次全部放出。該操作方式受到反應器操作容積的限制，培養(yǎng)周期只能控制在較短的時間內(nèi)。
2） 反復補料分批式操作是在單一補料分批式操作的基礎上，每個一定時間按一定比例放出一部分培養(yǎng)液，是培養(yǎng)液體積始終不超過反應器的最大操作容積，從而在理論上可以延長培養(yǎng)周期，直至培養(yǎng)效率下降，才將培養(yǎng)液全部放出。

3.半連續(xù)式操作（semi-continuous culture）、重復批式操作（repeated batch culture）、換液操作（medium change culture） 半連續(xù)式操作又稱為重復分批式操作或換液操作。采用機械攪拌式生物反應器系統(tǒng)，懸浮培養(yǎng)形式。在細胞增長和產(chǎn)物形成過程中，每間隔一段時間，從中取出部分培養(yǎng)物，再用新的培養(yǎng)液補足到原有體積，使反應器內(nèi)的總體積不變。
    這種類型的操作是將細胞接種一定體積的培養(yǎng)基，讓其生長至一定的密度，在細胞生長至最大密度之前，用新鮮的培養(yǎng)基稀釋培養(yǎng)物，每次稀釋反應器培養(yǎng)體積的1/2~3/4，以維持細胞的指數(shù)生長狀態(tài)，隨著稀釋率的增加培養(yǎng)體積逐步增加�；蛘咴诩毎�增長和產(chǎn)物形成過程中，每隔一定時間，定期取出部分培養(yǎng)物，或是條件培養(yǎng)基，或是連同細胞、載體一起取出，然后補加細胞或載體，或是新鮮的培養(yǎng)基繼續(xù)進行培養(yǎng)的一種操作模式。剩余的培養(yǎng)物可作為種子，繼續(xù)培養(yǎng)，從而可維持反復培養(yǎng)，而無需反應器的清洗、消毒等一系列復雜的操作。在半連續(xù)式操作中由于細胞適應了生物反應器的培養(yǎng)環(huán)境和相當高的接種量，經(jīng)過幾次的稀釋、換液培養(yǎng)過程，細胞密度常常會提高。 
    半連續(xù)式操作的特點為：1）培養(yǎng)物的體積逐步增加；2）可進行多次收獲；3）細胞可持續(xù)指數(shù)生長，并可保持產(chǎn)物和細胞在一較高的濃度水平，培養(yǎng)過程可延續(xù)到很長時間。
該操作方式的優(yōu)點是操作簡便，生產(chǎn)效率高，可長時期進行生產(chǎn)，反復收獲產(chǎn)品，可使細胞密度和產(chǎn)品產(chǎn)量一直保持在較高的水平。在動物細胞培養(yǎng)和藥品生產(chǎn)中被廣泛應用。

4. 連續(xù)式操作（continuous culture） 
    連續(xù)式操作是一種常見的懸浮培養(yǎng)模式，采用機械攪拌式生物反應器系統(tǒng)。該模式是將細胞接種與一定體積的培養(yǎng)基后，為了防止衰退期的出現(xiàn)，在細胞達最大密度之前，以一定速度向生物反應器連續(xù)添加新鮮培養(yǎng)基；與此同時，含有細胞的培養(yǎng)物以相同的速度連續(xù)從反應器流出，以保持培養(yǎng)體積的恒定。理論上講，該過程可無限延續(xù)下去。連續(xù)培養(yǎng)的最大優(yōu)點是反應器的培養(yǎng)狀態(tài)可以達到恒定，細胞在穩(wěn)定狀態(tài)下生長。穩(wěn)定狀態(tài)可有效的延長分批培養(yǎng)中的對數(shù)生長期。在穩(wěn)定狀態(tài)下細胞所處的環(huán)境條件如營養(yǎng)物質濃度、產(chǎn)物濃度、pH值可保持恒定，細胞濃度以及細胞比生長速率可維持不變。細胞很少受到培養(yǎng)環(huán)境變化帶來的生理影響，特別是生物反應器的主要營養(yǎng)物質葡萄糖和谷氨酰胺，維持在一個較低的水平，從而使他們的利用效率提高，有害產(chǎn)物積累有所減少。然而在高的稀釋率下，雖然死細胞和細胞碎片及時清除，細胞活性高最終細胞密度得到提高；可是產(chǎn)物卻不斷在稀釋，因而產(chǎn)物濃度并為提高；尤其是細胞和產(chǎn)物不斷的稀釋，營養(yǎng)物質利用率、細胞增長速率和產(chǎn)物生產(chǎn)速率低下。此外，連續(xù)式操作還有一些不足，如：1）由于是開放式操作，加上培養(yǎng)周期較長，容易造成污染；2）在長周期的連續(xù)培養(yǎng)中，細胞的生長特性以及分泌產(chǎn)物容易變異；3）對設備、儀器的控制技術要求較高。
    連續(xù)式操作使用的反應器多數(shù)是攪拌式生物反應器，也可以是管式反應器。
   連續(xù)式操作的特點為：1）細胞維持持續(xù)指數(shù)增長；2）產(chǎn)物體積不斷增長；3）可控制衰退期與下降期。

5. 灌流式操作（perfusion culture） 
    灌流式操作是把細胞和培養(yǎng)基一起加入反應器后，在細胞增長和產(chǎn)物形成過程中，不斷地將部分條件培養(yǎng)基取出，同時又連續(xù)不斷地灌注新的培養(yǎng)基。它與半連續(xù)式操作的不同之處在于取出部分條件培養(yǎng)基時，絕大部分細胞均保留在反應器內(nèi)，而半連續(xù)培養(yǎng)在取培養(yǎng)物時同時也取出了部分細胞。
    灌流式操作常使用的生物反應器主要有兩種形式。一種是用攪拌式生物反應器懸浮培養(yǎng)細胞，這種反應器必須具有細胞截流裝置，細胞截留系統(tǒng)開始多采用微孔膜過濾或旋轉膜系統(tǒng)，最近開發(fā)的有各種形式的沉降系統(tǒng)或透析系統(tǒng)。
    中空纖維生物反應器是連續(xù)灌流操作常用的一種。它采用的中空纖維半透膜，透過小分子量的產(chǎn)物和底物，截流細胞和分子量較大的產(chǎn)物，在連續(xù)灌流過程中將絕大部分細胞截留在反應器內(nèi)；近年來中空纖維生物反應器被廣泛應用于產(chǎn)物分泌性動物細胞的生產(chǎn)，主要用于培養(yǎng)雜交瘤細胞生產(chǎn)單克隆抗體。
    另外一種形式是固定床或流化床生物反應器，固定床是在反應器中裝配固定的籃筐，中間裝填聚脂纖維載體，細胞可附著在載體上生長，也可固定在載體纖維之間，靠上攪拌中產(chǎn)生的負壓，迫使培養(yǎng)基不斷流經(jīng)填料，有利于營養(yǎng)成分和氧的傳遞，這種形式的灌流速度較大，細胞在載體中高密度生長。流化床生物反應器是通過流體的上升運動使固體顆粒維持在懸浮狀態(tài)進行反應，適合于固定化細胞的培養(yǎng)。
    灌流式操作的共同優(yōu)點是：①細胞截流系統(tǒng)可使細胞或酶保留在反應器內(nèi)，維持較高的細胞密度，一般可達107-109/ml，從而較大的提高了產(chǎn)品的產(chǎn)量；②連續(xù)灌流系統(tǒng)，使細胞穩(wěn)定的處在較好的的營養(yǎng)環(huán)境中，有害代謝廢物濃度積累較低；③反應速率容易控制，培養(yǎng)周期較長，可提高生產(chǎn)率，目標產(chǎn)品回收率高；④產(chǎn)品在罐內(nèi)停留時間短，可及時回收到低溫下保存，有利于保持產(chǎn)品的活性。連續(xù)灌注培養(yǎng)法是近年來用于哺乳動物細胞培養(yǎng)生產(chǎn)分泌型重組治療性藥物和嵌合抗體，以及人源化抗體等基因工程抗體較為推崇的一種操作方式。應用連續(xù)灌流工藝的公司有Genzyme, Genetic Institute, Bayer公司等