-第七章-生物反应器-细胞培养

发酵机械与设备徐明芳博士教授暨南大学生科院2015-11-13目录绪论第一篇生物质原料处理设备第二篇生物反应设备第三篇产物分离设备第四篇其他设备底物生物反应器检测控制仪表培养基（灭菌）经加工原料酶细胞生物催化剂（游离或固定化）机械能除菌空气产品提取纯化副产品产品废物热能原材料营养物典型工业生物技术过程核心技术？第一篇生物质原料处理设备第一章生物质原料预处理设备第二章生物细胞培养基制备设备第三章生物培养基灭菌设备第四章原料（物料）输送设备第二篇生物反应设备第一节发酵设备概述第二节通风发酵罐结构与工作原理第三节自吸式发酵罐结构与工作原理第四节气升式发酵罐(ALR)结构与工作原理第五章生物反应器—通风搅拌发酵罐第六章厌氧（嫌气）发酵设备

第一节

酒精发酵设备第二节啤酒发酵设备第三节连续发酵设备第二篇生物反应设备第七章生物反应器—细胞培养反应器第一节植物细胞反应器第二节动物细胞反应器第三节微藻培养反应器第六章厌氧（嫌气）发酵设备第五章生物反应器—通风搅拌发酵罐底物生物反应器检测控制仪表培养基（灭菌）经加工原料酶细胞生物催化剂（游离或固定化）机械能除菌空气产品提取纯化副产品产品废物热能原材料营养物典型工业生物技术过程核心技术？思考题1、有几种植物细胞（组织）培养的类型与特点2、简述植物体细胞杂交培养的过程3、植物细胞培养与微生物的区别？4、常用的植物生物反应器有哪些？那种反应器更适合植物细胞培养，具有什么优缺点？5、举例说明植物细胞培养的流程与应用6、植物细胞培养工业化生产需解决的难题7、有哪两种动物细胞培养方法？其特点？8、动物细胞培养可生产的生物制品？9、动物细胞培养生产生物制品工艺实例10、动物细胞培养与植物细胞培养的特点有什么差异性11常用的动物生物反应器有哪些？12常用的藻类生物反应器有哪些？

植物细胞培养技术包括植物器官（根、枝叶、发根、胚和冠瘿组织等）、组织、细胞以及原生质体培养，并以此发展起来的各种植物细胞培养技术。第一节植物细胞培养第一节植物细胞（组织）培养反应器

1植物细胞（组织）培养

2植物细胞培养反应器

3植物组织培养反应器GottleibHaberlandt

1902年德国植物学家Haberlandt在营养液中成功地培育了单个植物细胞，尽管未能使其分裂生长，但为植物细胞培养翻开了新的一页。

Haberlandt提出植物细胞的“全能性”学说，植物细胞的全能性：植物的体细胞具有母体植株全部遗传信息并发育成为完整个体的潜力，因而每一个植物细胞可以像胚胎细胞那样，经离体培养再生成植株。

一般采用植物的体细胞(二倍体细胞)，先经纤维素酶处理去掉细胞壁(原生质体)。将原生质体放在合适的培养基上，经过诱导分化可以重新长成植株。原生质体也可用于植物细胞融合，然后诱导形成新的植株。原生质体培养1植物细胞（组织）培养---(1)植物原生质体培养1植物细胞（组织）培养---(2)植物组织培养(planttissueculture)植物组织培养：离体的植物器官、组织、细胞植物体愈伤组织脱分化根芽再分化脱分化：由高度分化的植物器官、组织或细胞产生愈伤组织的过程，称为植物细胞的脱分化。再分化：脱分化产生的愈伤组织继续进行培养又可以重新分化成根或芽等器官，这一过程称为植物细胞的再分化。植物组织培养(1)(1)(3)1植物细胞（组织）培养---(3)植物体细胞杂交(5)植物A细胞植物B细胞去壁原生质体A原生质体B原生质体融合融合体再生壁杂种细胞细胞分裂愈伤组织杂种植株(2)(4)植物细胞培养与微生物的区别：细胞的大小—大细胞块的形状—易成快培养液的黏度-需氧量

Kla

值比微生物培养的Kla值小得多对剪切力敏感需CO2和光照2植物细胞培养(plantcellculture)

植物细胞培养具有的优点：（1）代谢产物的生产完全在人工控制条件下进行，可以通过改变培养条件和选择优良培养体系得到超整株植物产量的代谢产物；（2）培养在无菌条件下进行，可排除病菌和虫害侵扰；（3）可以进行特定的生物转化反应；（4）可以探索新的合成路线和获得新的有用物质等。2植物细胞培养(plantcellculture)2植物细胞培养反应器StirredTankBioreactors2植物细胞培养反应器（1）机械搅拌式反应器优点：混合性能好传氧效率高操作弹性大可用于细胞高密度培养；缺点：剪切力大。

悬浮培养生物反应器尽管机械搅拌反应器已成功用于许多细胞的培养中，反应器内的温度、pH、溶氧及营养物质浓度较其他反应器更易控制等优点，但由于机械搅拌造成的剪切力以对植物细胞造成较大的损伤，对次级代谢产物的合成也会产生影响，同时会带来染菌和机械上的问题，因此需筛选出抗剪切力的细胞系，也可对反应器结构进行改造，尤其是搅拌桨的结构和类型的改进，使其具有缓和、充分的搅拌效果。图示目前规模最大的植物细胞培养反应器装置2植物细胞培养反应器

机械搅拌式反应器机械搅拌通风式生物反应器非搅拌式反应器所产生的剪切力较小，结构简单。其主要类型有鼓泡式反应器、气升式反应器等气体搅拌式反应器

2植物细胞培养反应器

（2）非机械搅拌式反应器---气升式BubbleColumnBioreactor植物细胞培养反应器

非机械搅拌式反应器Air-liftBioreactor植物细胞的培养比较多地采用各种非机械搅拌生物反应器，其中常用的是气体搅拌生物反应器。气体搅拌生物反应器没有活动的搅拌装置，在很大程度上减少了剪切力，并能在长期操作中保持无菌。气体搅拌生物反应器包括鼓泡塔和气升式反应器等。气体搅拌生物反应器结构较简单，氧传递效率高，剪切力低，对细胞的损伤小，容易实现长期无菌培养，较适用于植物细胞培养。缺点：操作弹性小，低气速时尤其在培养后期细胞密度较高时，混合效果较差。如果提高通气量，又会产生大量泡沫，也易于驱除培养液中的二氧化碳和乙烯，对细胞生长有阻碍作用。过高的溶氧对植物细胞合成次级代谢产物不利。植物细胞培养反应器紫草细胞培养紫草种子无菌幼根LS培养基愈伤组织诱导培养悬浮细胞悬浮培养细胞增殖培养一级培养利用“优势互补”原则，将两种反应器结合起来研究出组合式反应器。带有低速搅拌的气升式发酵罐可弥补低气速时混合性差的弱点。植物细胞培养反应器

（3）组合式反应器光生物反应器植物细胞培养反应器

固定化细胞生物反应器

（4）填充床反应器（5）流化床反应器细胞可以位于支撑物表面，也可包埋于支撑物之中，培养液流经支撑物颗粒，不断被细胞利用。优点：单位体积固定细胞量大。缺点：混合效果低，对必要的氧传递、pH、温度控制和气体产物的排除造成困难，影响细胞的培养。利用液体的能量来悬浮颗粒。颗粒呈流化状态所需的能量与颗粒大小成正比，因此常采用小固定化颗粒，这些小颗粒良好的传质特性是流化床反应器的优点，缺点：剪切力和颗粒碰撞会损坏固定化细胞。植物细胞培养反应器

流化床反应器植物细胞培养反应器

流化床反应器植物细胞培养反应器

（6）固定化细胞膜反应器中空纤维螺旋卷绕反应器采用具有一定孔径和选择透性的膜固定植物细胞。营养物质通过膜渗透到细胞中，细胞产生的次级代谢产物通过膜释放到培养液中。主要有：中空纤维反应器和螺线式卷绕反应器，优点：可以重复使用3植物组织培养反应器

发状根大规模培养植物组织培养反应器

(1).小植物的大规模快速繁殖

浅层循环式植株快速繁殖器

双层板径向流生物反应器植物组织培养反应器

小植物的大规模快速繁殖

内环喷雾生物反应器4植物细胞培养的应用（1)西洋参细胞培养无菌根愈伤组织悬浮细胞发酵液乙醇消毒诱导培养悬浮培养大量培养西洋参根细胞过滤西洋参细胞干粉成品干燥植物细胞的生产流程与应用

(2)药物的生产植物细胞产物产物作用紫草细胞紫草宁抗炎剂、食用色素苦瓜细胞类胰岛素治疗糖尿病长春花细胞长春花碱治疗白血病药红豆杉细胞紫杉醇抗癌药物毛地黄细胞毛地黄毒素强心剂紫草种子无菌幼根愈伤组织悬浮细胞细胞增殖培养LS培养基诱导培养悬浮培养一级培养产物培养二级培养发酵液细胞收集过滤产物提取分离成品干燥紫草细胞培养生产紫草宁(Shikonin)植物细胞培养的应用(3)代谢产物的生产植物细胞培养的应用

植物细胞培养工业化生产需解决的难题

缩短生产周期、降低生产成本提高培养细胞中的有效成分含量防止细胞集聚成块防止细胞株的种性退化和变异研制更能适合植物细胞生长的生物反应器第二节动物细胞融合1、动物细胞培养将动物组织或细胞从机体取出，分散成单个细胞，给予必要的生长条件，模拟体内生长环境，使其在体外继续生长和繁殖。根据生物反应器的不同用途，有悬浮培养、贴壁培养、包埋培养用生物反应器等。种类上大致有塑料袋增殖器、填充床增殖器、多层板增殖器、螺旋膜增殖器、桨式搅拌反应器、棒式搅拌反应器、船舶推进桨搅拌反应器、倾斜桨叶搅拌反应器、船帆形搅拌反应器、往复振动锥孔筛板搅拌反应器、笼式通气搅拌反应器、双层笼式通气搅拌反应器、空气提升式反应器等。表５－１示为某些生物反应器的主要特性。杂交瘤技术动物细胞培养反应器

1动物细胞培养方法

2动物细胞培养技术的应用

3动物细胞培养的特点

4细胞培养的操作方式

5细胞培养反应器体外培养的动物细胞根据它们在培养器皿是否能贴附于支持物上生长特征，可分为贴附型生长和悬浮型生长两大类。贴附型细胞在培养时能贴附在支技物表面生长。大多数动物细胞属于贴壁型细胞，如Hela、Vero、BHK、CHO细胞系。悬浮型细胞在培养中悬浮生长。来源于血液、淋巴组织的细胞，许多肿瘤细胞和某些转化细胞。1动物细胞培养方法1动物细胞培养方法（1）贴壁培养(单层细胞培养)

分散的细胞悬浮在培养瓶中很快(几十分钟至几小时)就贴附在瓶壁上，

称为细胞贴壁，

贴壁后的细胞形态形成多态性，

呈单层生长，

所以此法又叫单层细胞培养。（2）悬浮培养

细胞在培养器中自由悬浮生长的过程，不贴壁，主要用于悬浮型细胞培养，如淋巴细和肿瘤细胞的培养。（3）固定化培养

一种包埋培养。对两类细胞都适用，细胞生长密度高，抗剪切力和抗污染能力强。悬浮型细胞常用海藻酸钙包埋，贴壁型细胞常用胶原包埋。1动物细胞培养方法动物细胞培养可生产的生物制品1.病毒疫苗：口蹄疫(FMD)、狂犬疫苗等2.非抗体免疫调节剂：干扰素(IFN)、白介素(IL)等3.多肽生长因子：神经生长因子(NGF)、成纤维细胞生长因子(FGF)4.酶：组织血纤维溶酶原激活剂(t-PA)5.激素：红细胞生成素(EPO)、促黄体生成素(LH)6.病毒杀虫剂7.肿瘤特异性抗原：癌胚抗原(CEA)8.单克隆抗体9.皮肤重植10.细胞2动物细胞培养技术的应用2动物细胞培养技术的应用

动物细胞培养生产生物制品工艺实例

1.组织纤溶酶激活剂生产工艺流程细胞单层细胞悬液细胞培养物培养培养液提取液

层析液浓缩液层析液tPA成品分散分离提取层析纯化浓缩层析精制冻干2.抗HBsAS的单克隆抗体生产工艺流程培养液杂种细胞混合物大鼠骨髓瘤＋免疫大鼠脾淋巴细胞融合融合混合物筛选克隆化杂交瘤克隆系种质培养细胞种质扩大培养分离粗制McAb精制层析液超虑浓缩液冻干McAb精品杂交瘤技术动物细胞培养的特点1.细胞生长缓慢，易受微生物污染，培养时需要抗生素；2.动物细胞较微生物大得多，无细胞壁，机械强度低，适应环境能力差；3.培养过程需氧量少，且不耐受强力通风与搅拌；4.在机体中，细胞相互粘连以集群形式存在；5.培养过程产物分布于细胞内外，成本高，产品价格昂贵；6.大规模培养时，不可套用微生物反应的经验；7.原代培养细胞一般繁殖50代即退化死亡。3动物细胞培养的特点动物细胞培养反应器无论是贴壁细胞还是悬浮细胞，深层培养的操作方式可分4细胞培养的操作方式分批式、流加式、半连续式、连续式和灌注式。分批式操作操作简单、是最常用的操作方式。分批式培养过程中，细胞的生长可分为延迟期、对数生长期、减速期、平稳期和衰退期分批式培养细胞生长曲线流加式操作

半连续式操作4细胞培养的操作方式能够调节培养环境中营养物质的浓度。

连续操作能提高细胞密度，应用于培养悬浮型细胞。

灌注培养大大提高细胞密度，有助于产物的表达和纯化。5动物细胞培养反应器动物细胞培养反应器它是根据动物细胞培养时要求剪切力小、混合性能好的特点开发出来的生物反应器。主要有Spier笼式通气搅拌生物反应器、CelliGen笼式通气搅拌生物反应器和CellCul-20双层笼式通气搅拌生物反应器动物细胞培养反应器通气搅拌式细胞培养反应器动物细胞培养反应器

通气搅拌式细胞培养反应器１Spier笼式通气搅拌生物反应器

特点可以避免在向培养基中通气时气泡直接损伤细胞；在采用微载体系培养时，微载体不会被由于通气所产生的泡沫囊夹在气液界面；通过一个多孔的通气装置在笼内通气以满足培养时溶氧的需要。在鼓泡通气过程中所采用的泡沫经管道进入液面上部的由不锈钢丝网制