动植物反应器
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生物反应器
3种酵母表达系统
• 甲醇营养型酵母表达系统：巴斯德毕赤酵 母(Pichia pastoris)表达系统最为常用；
• 巴斯德毕赤酵母具有翻译后修饰功能，如 信号肽加工、蛋白质折叠、二硫键形成和 糖基化作用等，其糖基化位点其他哺乳动 物细胞相同，适合于生产医药用重组蛋白 质。
3种酵母表达系统
• 裂殖酵母不同于其他酵母菌株，它具有许 多与高等真核细胞相似的特性，它所表达 的外源基因产物具有相应天然蛋白质的构 象和活性。遗憾的是，目前对它的研究较 少。
动物细胞生物反应器
• 昆虫细胞； • 哺乳动物细胞； • 鱼类细胞。
昆虫细胞生物反应器
• 昆虫杆状病毒表达系统( BEVS)： 病毒载体、昆虫细胞、宿主培养基； 与细菌 、酵母、 哺乳动物细胞表达系统相比，
具有易于操作和筛选， 较好的转录后加工 修饰以及安全等优点； 缺点：昆虫细胞的蛋白质加工过程并非同高 等的真核生物完全一致， 最终会影响到表 达产物的生物学活性。
家蚕丝腺生物反应器
• 家蚕是人工养殖的经济昆虫， 蚕的丝腺作 为生物反应器来表达重组的外源蛋白具有 极高的商业价值与应用前景。
家蚕丝腺生物反应器
• 存在的问题： 丝腺中主要以丝蛋白分泌为主，给目的蛋白
的下游分类纯化带来了困难； 与杆状病毒表达系统一样存在蛋白质转录后
修饰的问题； 如何将外源基因稳定的转入家蚕体内，同时
• 真核单细胞、结构简单、 因序列已经完全测 得, 序列结构比较清楚, 利于遗传操作;
• 培养条件简单, 可以大规模培养, 易于工业化 生产; 核转化与叶绿体转化方法成熟;
• 衣藻作为真核生物, 可以对真核蛋白质进行准 确的翻译后加工修饰( 如: 正确的折叠等) ;
• 衣藻本身不带有对人体有害的生物, 如病毒、 细菌等, 这就使得其表达的产物不会含有毒素 等有害物物质, 从而减少纯化步骤, 大大降低成 本。
生物反应器
生物反应器指以活细胞或酶为生物催化剂进行细胞增殖或生化反应提供适宜环境的设备，它是生物反应过程中的关键设备。
生物反应器的结构、操作方式和操作条件的选定对生物化工产品的质量、收率（转化率）和能耗有密切关系。
生物反应器的设计、放大是生化反应工程的中心内容，也是生物化学工程的重要组成部分。
分类从生物反应过程说，发酵过程用的反应器称为发酵罐；酶反应过程用的反应器则称为酶反应器。
另一些专为动植物细胞大量培养用的生物反应器，专称为动植物细胞培养装置。
发酵罐发酵罐若根据其使用对象区分，可有：嫌气发酵罐、好气发酵罐、污水生物处理装置等。
其中嫌气发酵罐最为简单，生产中不必导入空气，仅为立式或卧式的筒形容器，可借发酵中产生的二氧化碳搅拌液体。
若以操作方式区分，有分批操作和连续操作两种。
前者一般用釜式反应器，后者可用连续搅拌式反应器或管式及塔式反应器。
好气发酵罐按其能量输入方式或作用原理区分，可有：①具有机械搅拌器和空气分布器的发酵罐这类发酵罐应用最普遍，称为通用式发酵罐。
所用的搅拌器一般为使罐内物料产生径向流动的六平叶涡轮搅拌器，它的作用为破碎上升的空气泡和混合罐内的物料。
若利用上下都装有蔽板的搅拌叶轮，搅拌时在叶轮中心产生的局部真空,以吸入外界的空气,则称为自吸式机械搅拌发酵罐。
②循环泵发酵罐用离心浆料泵将料液从罐中引出，通过外循环管返入罐内。
在循环管顶端再接上液体喷嘴，使之能吸入外界空气的,称喷射自吸发酵罐。
③鼓泡塔式发酵罐以压缩空气为动力进行液料搅拌，同时进行通气的气升发酵罐。
目前，世界所发展的大型发酵罐是英国卜内门化学工业公司的发酵罐，它以甲醇为原料生产单细胞蛋白的压力循环气升发酵罐,其直径为7m，高为60m，总容量为 2300m□，自上至下有5000～8000个喷嘴进料。
目前，还有些发酵产品，如固体曲等，使用专门设计的能调节温、湿度的旋转式固体发酵装置。
生产甲烷（沼气）用的是嫌气发酵罐，也称消化器或沼气发生器，这种发酵罐装有搅拌器，顶部有的有浮顶。
动物细胞生物反应器
性质
大小 代谢调节方式 营养要求胞
10-100mm 内部和激素 苛刻 倍增时间一般为12-60h 很差，缺乏保护性细胞壁 差
微生物细胞
10mm 内部 宽松，可利用多种底物 倍增时间一般为0.5-2h 较好 好
（三）、動物細胞大规模培養技術
动物细胞大规模培 养它是在传统的培养技 术的基础上，融合固定 化细胞、流式细胞技术、 填充床、生物反应器技 术以及人工灌流和温和 搅拌技术等发展起来的。 动物细胞大规模培养装 置如图。
4.攪拌罐生物反應器（stirtank bioreactor）
搅拌罐生物反应器基本结构为：一个旋转过滤器， 一台用于控制温度、pH值、搅拌速度和溶氧（DO）的 数字控制装置（DCU）和起通气作用的底部环形喷气结 构。
5.堆積床生物反應器（packedbed bioreactor）
CelligenPlus堆积床生物反应器的工作原理为：当推 进器旋转时，培养基通过推进器的中心空管螺旋式地从 罐体底部上流，然后从三个出口流出，通过堆积床向下 流动至罐体底部，再通过推进器的中心管往上流。
3.微囊化培養技術
微囊是一种由半透膜制成的多孔微球体，酶及大分 子不能从微囊中溢出，而小分子物质可以通过，微囊化 技术是固定化技术将细胞包裹在微囊里，在培养液中悬 浮培养，细胞微囊化后由于生长在各自的微小环境里， 减少了培养时搅拌对细胞的剪切力，细胞生长良好，培 养液易于迅速改变，且无分离细胞与培养液的困难。
2.中空纖維管生物反應器（hollow-fiber bioreactor）
中空纤维管生物反应器主体是由微孔中空纤维管束 组成的，纤维束由外壳包裹，可分为壳体空间及管体空 间两部分，每部分各有其出口。
3.流化床生物反應器（fluidized-bed bioreactor）
大小 代谢调节方式 营养要求胞
10-100mm 内部和激素 苛刻 倍增时间一般为12-60h 很差，缺乏保护性细胞壁 差
微生物细胞
10mm 内部 宽松，可利用多种底物 倍增时间一般为0.5-2h 较好 好
（三）、動物細胞大规模培養技術
动物细胞大规模培 养它是在传统的培养技 术的基础上，融合固定 化细胞、流式细胞技术、 填充床、生物反应器技 术以及人工灌流和温和 搅拌技术等发展起来的。 动物细胞大规模培养装 置如图。
4.攪拌罐生物反應器（stirtank bioreactor）
搅拌罐生物反应器基本结构为：一个旋转过滤器， 一台用于控制温度、pH值、搅拌速度和溶氧（DO）的 数字控制装置（DCU）和起通气作用的底部环形喷气结 构。
5.堆積床生物反應器（packedbed bioreactor）
CelligenPlus堆积床生物反应器的工作原理为：当推 进器旋转时，培养基通过推进器的中心空管螺旋式地从 罐体底部上流，然后从三个出口流出，通过堆积床向下 流动至罐体底部，再通过推进器的中心管往上流。
3.微囊化培養技術
微囊是一种由半透膜制成的多孔微球体，酶及大分 子不能从微囊中溢出，而小分子物质可以通过，微囊化 技术是固定化技术将细胞包裹在微囊里，在培养液中悬 浮培养，细胞微囊化后由于生长在各自的微小环境里， 减少了培养时搅拌对细胞的剪切力，细胞生长良好，培 养液易于迅速改变，且无分离细胞与培养液的困难。
2.中空纖維管生物反應器（hollow-fiber bioreactor）
中空纤维管生物反应器主体是由微孔中空纤维管束 组成的，纤维束由外壳包裹，可分为壳体空间及管体空 间两部分，每部分各有其出口。
3.流化床生物反應器（fluidized-bed bioreactor）
转基因动植物生物反应器 综述
转基因动植物生物反应器生物技术1002摘要:生物反应器，指以活细胞或酶为生物催化剂进行细胞增殖或生化反应提供适宜环境的设备，它是生物反应过程中的关键设备。
随着转基因技术问世,生物反应器不再局限于传统“冷冰冰”的设备，而是富有生命特性的动植物。
动植物生物反应器指的是通过基因工程途径以常见的农作物或者活体动物，高效表达某种器官或组织，进行工业化生产功能蛋白等生物制剂。
本文为大家阐述了转基因动植物反应器的优缺点，研究进展及其应用。
关键词:转基因动物反应器，转基因植物反应器，优缺点，研究进展，应用一、转基因动植物生物反应器的优缺点1.1转基因动物生物反应器的优点1易养殖，实现大规模制备。
2通过乳腺和血液制备活性物质简单易行。
3可以通过动物细胞培养实现大量制备。
4产量高，转基因动物在每升乳汁中可得几十克产物，而转基因植物，微生物在每升培养液中只能获得几毫克。
5成本低，用细菌、酵母菌或动物细胞生产基因工程药物，反应条件要求严格，而转基因动物只需要正常饲养。
6用于转基因动物制药的受体牛、羊、猪等哺乳动物，与人类亲缘关系比细菌、酵母菌要近的多，所以其产品具有与人体自身产生的蛋白相同的生物学活性川。
7用转基因动物培植活体器官和组织，用于更替人体患病的器官和组织。
1.2转基因动物生物反应器的缺点1细胞培养需要昂贵的培养基和设备。
2转基因动物制备成本昂贵。
3转基因动物易产生一些伦理问题。
4目前转基因动物的研究存在理论基础薄弱、技术不完善等问题"使得转入的基因在受体动物基因组中存在着随机整合、调节失控、遗传不稳定、表达率不高等问题。
为确保转入的基因能得到高效表达并完全整合，关键是基因构建和位点整合。
5转基因表达产物的分离与纯化也存在问题，可能会出现要纯化的产物含量低的现象，还要确保去除引起人类变态反应的非人类蛋白。
6转基因表达产物的结构和生物活性是否与人体蛋白相似#转基因产品必须与人体产生的蛋白高度相似，以免人体对它产生免疫反应。
生物反应器的原理及类型
2、宏观流体和微观流体
习惯上人们把具有不同停留时间的物料颗粒之间的混合称为 返混，也有人将这种混合称为宏观混合。它由停留时间分布 来表征。同时，还有另外一种混合，用于描述物料在反应器 内流动时的聚集状态。这种混合又称为微观混合。
宏观流体即流体中分子聚集成团块流体，这些流体粒子之间 不发生任何物质交换，各个粒子都是孤立的、各不相干的， 它们之间不产生混合。这种状态又称为完全离析的状态。在 实际流动中，不聚并的液滴、固体粒子及非常粘稠的液体等 均可认为是宏观流体。
牛顿型流体 ：符合牛顿黏性定律的流体
当n=1，τ0=0 τ=μγ（牛顿黏性定律）
非牛顿型流体（ τ与γ 之比不是常数）根据其比值不同又可 分为以下几类：
A、宾汉（Bingham）塑性流体
τ=τ0+μγ
（τ<τ0时，流体不流动，流动曲线为不过原点的直线）
例如：黑曲霉，产黄青霉，灰色链霉菌等丝状菌发酵液
如果培养物受氧限制，生长量就与氧传递量相关。在分 批培养中，菌丝体浓度增加，氧传递速率降低，生长速 率很快减慢到零。在受氧限制的连续培养中，由于单位 培养基中氧传递的总量随滞留时间的降低而降低，在高 的稀释率下，菌丝体浓度下降。为了克服氧限制在工业 发酵中的影响，可加水稀释发酵液，从而降低黏度，增 加氧传递速度。
四、剪切力对生物反应的影响
1、剪切 剪切力是单位面积流体上的切向力，剪切力的单位为
N/m2或Pa。 剪切是设计和放大生物反应器的重要参数。在生物过程
中，严格地讲，对细胞的剪切作用泛指作用于细胞表面， 且与细胞表面平行的力，但由于发酵罐中水力学情况非 常复杂，一般剪切力指影响细胞的各种机械力的总称。
微观流体即流体中的分子不与近邻的分子附着而独立流动， 此时物料粒子之间发生的混合是在分子尺度上进行的，如果 反应器中完全不存在宏观流体时，称此状态为微观混合达到 最大，或称最大微观混合。介于上两者之间的称为部分离析 或不完全微观混合，即两者并存于体系之中。
动物细胞和植物细胞培养反应器
六叶罗式搅拌器实物图
后来，有人使用锚式搅拌器和螺旋式搅拌器进行植物细胞的培养，
也取得了较好的效果。一般认为螺旋式搅拌器效果最优。
锚式搅拌器和螺旋搅拌器植物细胞培养反应器
吸筒式搅拌器和帆式搅拌器也常用于植物细胞的悬浮培养中， 其结构如下图所示。吸筒式搅拌器的结构原理在本章动物细胞培养 反应器中会有详细介绍，帆式搅拌器结构相对简单，由四片较大的 搅拌叶组成。这两种搅拌在使用时转速都不高，一般在30～80转/分。
吸管式搅拌器和帆式搅拌器
搅拌桨是用尼龙丝编织带制成帆形，搅拌轴用磁力驱动旋转， 转速为20~50r/min，氧气通过插入溶液中的硅胶管扩散到培养 液内，以维持培养液内一定的溶解氧水平。
带帆形搅拌器的连续灌注系统培养反应器
/sbs.asp?id=118
第
三
章
植物细胞和动物细胞 培 养 反 应 器
动植物细胞培养与微生物细胞培养有很大的不同。 动物细胞培养与微生物培养区别： • 动物细胞无细胞壁，且大多数哺乳动物细胞附着在固体或半固 体的表面才能生长；对营养要求严格，除氨基酸、维生素、盐类、 葡萄糖或半乳糖外，还需有血清。动物细胞对环境敏感，包括pH、 溶氧、温度、剪切应力都比微生物有更严的要求，一般须严格的监 测和控制。 植物细胞培养与微生物培养区别： • 植物细胞对营养要求较动物细胞简单。但由于植物细胞培养一 般要求在高密度下才能得到一定浓度的培养产物，以及植物细胞生 长较微生物要缓慢，长时间的培养对无菌要求及反应器的设计也提 出特殊的要求。
悬浮培养瓶
小规模悬浮培养
3、固定化培养：是指采用吸附（固体吸附剂）、共价贴附 （与固相载体结合）、共价交连（用试剂处理使细胞间形 成桥而絮结）、包埋（将细胞包埋在多孔材料内）等方法 将细胞固定在支持物上，或将细胞嵌入微囊或高分子聚合 物的网络中进行培养。该方法对贴壁依赖性细胞与非贴壁 依赖性细胞均适用。
六章动植物细胞培养装置和酶反应器-医学资料
动物细胞培养液中通常含有葡萄糖、氨 基酸、无机盐、维生素和动物血清等。培养的 动物细胞大都取自动物胚胎或出生不久的幼龄 动物的器官或组织，将组织取出来后，先用胰 蛋白酶等使组织分散成单个细胞，然后配制成 一定浓度的细胞悬浮液，再将该悬浮液放入培 养瓶中，在培养箱中培养，这个过程称为原代 培养。细胞在培养瓶中贴壁生长。随着细胞的 生长和增殖，培养瓶中的细胞越来越多，需要 定期地用胰蛋白酶使细胞从瓶壁上脱离下来， 配制成细胞悬浮液，分装到两个或两个以上的 培养瓶中培养，这称为传代培养。
一、动物细胞培养装置
动物细胞培养技术的应用是多方面的。许多有 重要价值的蛋白质生物制品，如病毒疫苗、干扰素、 单克隆抗体等，都可以借助于动物细胞的大规模培养 来生产。用取自烧伤病人皮肤的健康细胞进行培养， 可以获得大量自身的皮肤细胞，为大面积烧伤的病人 移植。培养的动物细胞还可以用于检测有毒物质。许 多致畸、致癌物质加入培养液后，培养细胞会发生染 色体结构和数目的变异。根据变异细胞占全部培养细 胞的百分数，可以判断某种物质的毒性。现在动物细 胞培养已经成为检测有毒物质的快速而灵敏的有效手 段。医学家培养各种正常的或病变的细胞，用于生理、 病理、药理等方面的研究，为治疗和预防疾病提供理 论依据。
图6－5 动物细胞贴壁培养后的微载体显微镜照片
微载悬浮培养的反应器要解决的三个关键问题：
（1）具有合适的搅拌，使微载体在培养液 内悬浮循环流动，而又不因过高的剪切力而使 动物细胞受到破坏。
（2）不能像传统发酵罐那样用空气在培养液 内鼓泡充氧，而只能用特殊方式来传递氧，以 满足所需要的溶氧浓度。
（3）在培养液中要严格控制pH值，要求pH值 控制误差小于0.05。
叶的搅动作用，液体与微载体的悬浮液由圆筒
生物反应器的分类与发展
分都可经过人为驯化为生物反应器
动物血液生物反应器
动物膀胱生物反应器
动物生物反应器
外源基因编码产物可直 接从血清中分离
出来,血细胞组分可通 过裂解细胞获得，
外源基因在膀胱中表达的转基因动物 生物反应器,叫动物膀胱生物反应器
动物乳腺生物反应器
动物乳腺生物反应器利用哺
泌尿系统
乳动物乳腺特异性表达的启 动子元件构建转基因动物,
生物反应器是发酵工程中最重要的设备之一
原料
原料制备 预处理
能量 灭菌
过程控制
生物 反应器
能量 产品回收
产物
空气
空压机 除菌
热量
废物
二、生物反应器的分类
机械搅拌式反应器 气升式生生物反应器
动物生物反应器 植物生物反应器
生物反应器有很多种,按照不同的分类角度
组织或整株植物，
其中以转基因植物作为生物反应器生产贵重药物和疫
苗已经成为植物基因工程中最有研究前景和商业价值的领
域，
植物生物反应器种类不断增多, 从最初的烟草、拟南
芥到后来的马铃薯、番茄、香蕉、木瓜、豇豆、菠菜、苜
蓿、油菜和芜青等,表达产物包括疫苗、抗体及其片段、
细胞因子、酶及其它药用蛋白和生物活性肽等，
3 生产啤酒 4 生产能源
目前用来生产啤酒的填充 床固定化细胞反应器已完 成中试进入工业生产阶段
光合细菌利用有机物作为电子供 体光敏产氢为工业化生产清洁、 无污染的生物能源提供了具有竞
争力的技术方法
2、动物生物反应器
一般把目的片段在器官或组织中表达的转基因动物叫动 物生物反应器，几乎任何有生命的器官、组织或其中一部
在转基因家畜血液中得到人免疫球蛋白、d 球蛋白、B球蛋白、胰蛋白酶、干扰素和生长激素 等,并且都具有正常的生物活性，美国哺乳动物细 胞表达或生产的生物技术药物有53种，
生物反应器是指什么
生物反应器，是指利用酶或生物体(如微生物、动植物细胞等)所具有的特殊功能，在体外进行生物化学反应的装置系统。
生物反应器与化学反应器不同。
化学反应器从原料进入到产物生成，常常需要加压和加热，是一个高能耗过程。
而生物反应器则不同，在酶和微生物的参与下，在常温和常压下就可以进行化学合成。
因此，生物反应器问世之后，就受到化工部门的重视。
化学工程专家认为，应该尽可能多地让化学合成过程由生物去完成。
设计理想的生物反应器，就成了现代生物技术产业的一个重要任务。
设计生物反应器时要考虑两点：一是选择特异性高的酶或适宜的活细胞作为催化剂，尽可能减少副产物，提高产品产量；二是尽可能提高产物的浓度，降低成本。
生物反应器首先在发酵工业中得到应用。
发酵工业中使用的生物反应器，实际上是发酵罐。
另一种是以固定化酶或固定化细胞为催化剂的酶反应器。
世界上最大的发酵罐高达100米，直径7米，容积为4000立方米。
第四章 生物反应器
（郑c）裕h国: 王b :远d山1 :汪d 钊= 3陈.5 小: 龙5 :朱13勍: 徐20 建妙
生物工程设备课件
生物工程设备课件
郑裕国 王远山 汪钊 陈小龙 朱勍 徐建妙
生物工程设备课件
生物工程设备课件
(4) 圆盘箭叶涡轮搅拌器
其搅拌流型与上述两种涡轮相近，但轴向流动较强 烈，但在同样转速下，剪率低，输出功率也较低。
生物工程设备课件
第二篇 生物反应设备
第四章 生物反应器
生物工程设备课件
内容
第一节 机械搅拌式生物反应器 第二节 气升式生物反应器 第三节 鼓泡塔生物反应器 第四节 膜生物反应器 第五节 动植物细胞培养装置和酶反应器 第六节 微藻培养反应器 第七节 嫌气生物反应器 第八节 固态发酵生物反应器
生物工程设备课件
罐等。
按反应器的操作方式：间歇式生物反应器、连续式生 物反应器和半间歇式生物反应器。
生物工程设备课件
按生物催化剂在反应器中的分布方式：可以 分为生物团块反应器和生物膜反应器。
按反应物系在反应器内的流动和混合状态： 全混流型生物反应器和活塞流型生物反应 器。
按发酵培养基质的物料状态：液态生物反应 器与固态生物反应器。
（1）罐体：
材料为炭钢或不锈钢，且应有一定的承压能力， 2.5kg/cm2。
罐顶上的接管有：进料管、补料管、排气管、接 种管和压力表接管。
罐身上的接管有：冷却水进出管、进空气管、温 度计管和测控仪表接口。
生物工程设备课件
生物工程设备课件
2009.10
郑裕国 王远山 汪钊 陈小龙 朱勍 徐建妙
生物工程设备课件
大型发酵罐中竖立的蛇管、列管、排管也可以起 挡板作用。
2009.10
生物工程设备课件
生物工程设备课件
郑裕国 王远山 汪钊 陈小龙 朱勍 徐建妙
生物工程设备课件
生物工程设备课件
(4) 圆盘箭叶涡轮搅拌器
其搅拌流型与上述两种涡轮相近，但轴向流动较强 烈，但在同样转速下，剪率低，输出功率也较低。
生物工程设备课件
第二篇 生物反应设备
第四章 生物反应器
生物工程设备课件
内容
第一节 机械搅拌式生物反应器 第二节 气升式生物反应器 第三节 鼓泡塔生物反应器 第四节 膜生物反应器 第五节 动植物细胞培养装置和酶反应器 第六节 微藻培养反应器 第七节 嫌气生物反应器 第八节 固态发酵生物反应器
生物工程设备课件
罐等。
按反应器的操作方式：间歇式生物反应器、连续式生 物反应器和半间歇式生物反应器。
生物工程设备课件
按生物催化剂在反应器中的分布方式：可以 分为生物团块反应器和生物膜反应器。
按反应物系在反应器内的流动和混合状态： 全混流型生物反应器和活塞流型生物反应 器。
按发酵培养基质的物料状态：液态生物反应 器与固态生物反应器。
（1）罐体：
材料为炭钢或不锈钢，且应有一定的承压能力， 2.5kg/cm2。
罐顶上的接管有：进料管、补料管、排气管、接 种管和压力表接管。
罐身上的接管有：冷却水进出管、进空气管、温 度计管和测控仪表接口。
生物工程设备课件
生物工程设备课件
2009.10
郑裕国 王远山 汪钊 陈小龙 朱勍 徐建妙
生物工程设备课件
大型发酵罐中竖立的蛇管、列管、排管也可以起 挡板作用。
2009.10
第四章 动植物细胞生物反应器
中空纤维反应器中，细 胞保留在装有中空纤 维的管中。
螺旋卷绕
特点: 流体力学易 于控制, 易于放 大, 但制造成本 较高.
三、植物组织培养反应器
1．发状根大规模培养
2．小植物的大规模快速繁殖
但传统方法设备占有体积大，劳动强度大、 费用昂贵。
通过大规模悬浮培养技术进行植物的快速 繁殖有可能提供一个更有效的工业化途径，它 也是继试管繁殖后又一十分有用的培养技术。
2、流化床反应器
混合效果较好，但 流体的切变力和固定 化颗粒的碰撞常使支 持物颗粒破损，另外， 流体动力学复杂使其 放大困难。
3、膜生物反应器
膜固定化是采用具有一定孔径和选择 透性的膜固定植物细胞。营养物质可以 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。
膜反应器主要有中空纤 维反应器和螺旋卷绕 反应器。
5. 灌注培养
三、动物细胞培养反应器
三、动物细胞大规模培养反应器 1. 通气搅拌式细胞培养反应器 2．气升式动物细胞培养反应器 3．中空纤维细胞培养反应器
4、微囊培养系统
5．大载体系统
6．微载体培养系统
利用固体小颗粒作为载体，细胞在载 体的表面附着，通过连续搅拌悬浮于培 养液中，并形成单层生长、繁殖。由于 扩 大了细胞的附着面，能充分利用生长 空间和营养液，因此大大提高了细胞的 生长效率和产量。
2、悬浮培养（非贴壁依赖 型）
所谓悬浮培养，是指 细胞在培养器中自由悬 浮生长的过程。主要用 于非贴壁依赖性细胞培 养，如杂交瘤细胞等。
3．固定化培养 适于两类细胞
常用包埋法固定（常用海藻酸钙包埋）
二、细胞培养的操作方式 无论是贴壁细胞还是悬浮细胞，就操作方式而言，深层培
养可分为5种方式。
螺旋卷绕
特点: 流体力学易 于控制, 易于放 大, 但制造成本 较高.
三、植物组织培养反应器
1．发状根大规模培养
2．小植物的大规模快速繁殖
但传统方法设备占有体积大，劳动强度大、 费用昂贵。
通过大规模悬浮培养技术进行植物的快速 繁殖有可能提供一个更有效的工业化途径，它 也是继试管繁殖后又一十分有用的培养技术。
2、流化床反应器
混合效果较好，但 流体的切变力和固定 化颗粒的碰撞常使支 持物颗粒破损，另外， 流体动力学复杂使其 放大困难。
3、膜生物反应器
膜固定化是采用具有一定孔径和选择 透性的膜固定植物细胞。营养物质可以 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。
膜反应器主要有中空纤 维反应器和螺旋卷绕 反应器。
5. 灌注培养
三、动物细胞培养反应器
三、动物细胞大规模培养反应器 1. 通气搅拌式细胞培养反应器 2．气升式动物细胞培养反应器 3．中空纤维细胞培养反应器
4、微囊培养系统
5．大载体系统
6．微载体培养系统
利用固体小颗粒作为载体，细胞在载 体的表面附着，通过连续搅拌悬浮于培 养液中，并形成单层生长、繁殖。由于 扩 大了细胞的附着面，能充分利用生长 空间和营养液，因此大大提高了细胞的 生长效率和产量。
2、悬浮培养（非贴壁依赖 型）
所谓悬浮培养，是指 细胞在培养器中自由悬 浮生长的过程。主要用 于非贴壁依赖性细胞培 养，如杂交瘤细胞等。
3．固定化培养 适于两类细胞
常用包埋法固定（常用海藻酸钙包埋）
二、细胞培养的操作方式 无论是贴壁细胞还是悬浮细胞，就操作方式而言，深层培
养可分为5种方式。
生物反应器
机械搅拌式生物反应器的进展
细胞提升桨生物反应器（1990） 双圆筒筛搅拌式生物反应器（1992） 脉冲混合式生物反应器（1993） 泡床式搅拌生物反应器（1994） 离心桨生物反应器（1996） 固定化酶搅拌桨反应器（2005）
微藻培养中光生物反应器的研究进展
开放式光生物反应器
(1)易受外界环境影响，难以保持较适宜的温度与光 照； (2)会受到灰尘、昆虫及杂菌的污染，不易保持高质 量的单藻培养 (3)光能及CO2 利用率不高，无法实现高密度培养
软骨组织工程生物反应器研究进展
软骨组织工程技术的发展已进入体外构建的关键阶段。生物 反应器能在体外动态模拟体内微环境中物质转运和流体应力刺激 反应,从而实现体外经生物力学途径调控软骨细胞的基因表达和增 殖。传统的二维或静态压力型生物反应器难以构建功能接近于正 常的软骨,各种可即时智能调控的微重力、灌流液压、微载体等新 型生物反应器使得培养基环境的调控更加高效、精确化,培养的三 维软骨组织在形态、基因表达及力学特性上均更接近于正常软骨 组织。
研究方向
1.利用生物反应器, 特别是植物反应器生产药用蛋白和疫苗已成为制 药产业重点开发的热点领域。 2.开发活性高、选择性好及寿命长的生物催化剂。 3.改进生物反应器的传质、传热的方法。 4.生物反应器向大型化和自动化方向发展。 5.特殊要求的新型生物反应器的研制开发，如基因产品生产、细胞固 定化及动植物细胞培养的工业反应器，固体发酵反应器、边发酵 边分离反应器等的开发研制已获得广泛重视。 6.降低设备投资方面，对连续过程更加重视。
进展情况
空间生物反应器的进展
早期发展成熟的空间生物培养反应器的操作方式主要是灌流 式。
旋转壁式生物反应器、细胞培养单元反应器、单 环路细胞培养反应器、微型连续培养反应器。
生物反应器
•
•
生物 反应器 生物 反应器
• 生物反应器潜在的社会价值是 无可估量的。在未来几年内， 将有多种动物乳腺生物反映器 重组蛋白上市，从而形成市场 前景广阔和利润巨大的新生物 制药行业。
张 鑫
王 吟
霍 博 超
目
录
• • • • • 概念 动物反应器 微生物反应器 植物反应器 家蚕反应器
概
•
念
生物反应器是利用生物体所具有的生物功能，在体外或 体内通过生化反应或生物自身的代谢获得目标产物的装 置系统、细胞、组织器官等等。 生物反应器听起来有些陌生，基本原理却相当简单。 生物工程上的生物反应器是在体外模拟生物体的功能， 设计出来用于生产或检测各种化学品的反应装置。或者 说，生物反应器是利用酶或生物体（如微生物）所具有 的生物功能，在体外进行生化反应的装置系统，是一种 生物功能模拟机，如发酵罐、固定化酶或固定化细胞反 应器等。
家蚕 反应器
桑蚕生物反应器主要有两种形式
1.转基因桑蚕(transgenic silkworm) 2.杆状病毒表达载体系统(Baculovirus Expression Vector System,BEVS)。
技术
力量
• 国内现有技术力量包括中科院上海生化与细胞研 究所、浙江理工大学、浙江大学、中山大学、中 科院武汉病毒所、中国农科院、南京大学、西北 农业大学等单位已基本建立工作基础。 • 中科院上海生化所在昆虫（家蚕）杆状病毒系统 和高效表达载体等上游工作具有较强优势。浙江 理工大学在家蚕生物反应器生产基因工程口服药 物及产业化和家蚕蛋白功能组学研究积累许多工 作基础，“家蚕生物反应器生产生物制品的方法” 获得了2004年国家技术发明二等奖。
• •
植物
生物反应器总结
第一章
生物反应器 （Bioreactor ）
第一节
概述
传统生物工业中使用的生物反应器称为“发酵罐” （fermenter）。20世纪70年代， Atkinson提出了生化反应器（biochemical reactor）一词，其含义除包括原有发酵罐外， 还包括酶反应器、处理废水用反应器等。与此同 时，Ollis提出了另一术语－生物反应器 （biological reactor）。进入80年代，生物 反应器（bioreactor）一词在专业期刊与书籍 中大量出现。
2.间接测定法
从图中可以看出，DNA含量的变化最小。
培养基中存在较多不溶性物质时，可以 通过测定构成细胞的大分子物质（如蛋 白质、RNA、DNA等)来确定细胞浓度。 采用这种方法来估计细胞浓度时，须确 定在培养过程中，这种组分在细胞中的 含量基本保持不变。
第三节 生物反应器的基本类型及其设计
New Brunswick Scientific Co., Inc. (American, NBS Co.)
Biostat B2
Biostat ED10
Pilot Biostat UD50
各类生物反应器
机械搅拌式反应器
气升式反应器
鼓泡反应器 膜生物反应器 固定床和流化床反应器
生物反应器
细胞 生物反 培养液（养分） 应器
蛋白质、疫苗…
组织…
转基因动物是指 通过实验方法，人工 地把外源基因导入动 物的受精卵（或早期 胚胎细胞），使外源 基因与动物本身的基 因组整合在一起，因 而外源基因能随细胞 的分裂而增殖，并能 稳定地遗传给下一代 的一类动物。
1982年，R.D.Palmiter 等科学家将金属硫蛋白 基因的启动子和大白鼠 生长激素基因拼接成融 合基因，把这种基因导 入小白鼠的受精卵，再 将这一受精卵移植到一 借腹怀孕的母鼠体内， 生下来的小鼠比正常小 鼠体格大一倍，称为 “巨鼠”。
生物反应器 （Bioreactor ）
第一节
概述
传统生物工业中使用的生物反应器称为“发酵罐” （fermenter）。20世纪70年代， Atkinson提出了生化反应器（biochemical reactor）一词，其含义除包括原有发酵罐外， 还包括酶反应器、处理废水用反应器等。与此同 时，Ollis提出了另一术语－生物反应器 （biological reactor）。进入80年代，生物 反应器（bioreactor）一词在专业期刊与书籍 中大量出现。
2.间接测定法
从图中可以看出，DNA含量的变化最小。
培养基中存在较多不溶性物质时，可以 通过测定构成细胞的大分子物质（如蛋 白质、RNA、DNA等)来确定细胞浓度。 采用这种方法来估计细胞浓度时，须确 定在培养过程中，这种组分在细胞中的 含量基本保持不变。
第三节 生物反应器的基本类型及其设计
New Brunswick Scientific Co., Inc. (American, NBS Co.)
Biostat B2
Biostat ED10
Pilot Biostat UD50
各类生物反应器
机械搅拌式反应器
气升式反应器
鼓泡反应器 膜生物反应器 固定床和流化床反应器
生物反应器
细胞 生物反 培养液（养分） 应器
蛋白质、疫苗…
组织…
转基因动物是指 通过实验方法，人工 地把外源基因导入动 物的受精卵（或早期 胚胎细胞），使外源 基因与动物本身的基 因组整合在一起，因 而外源基因能随细胞 的分裂而增殖，并能 稳定地遗传给下一代 的一类动物。
1982年，R.D.Palmiter 等科学家将金属硫蛋白 基因的启动子和大白鼠 生长激素基因拼接成融 合基因，把这种基因导 入小白鼠的受精卵，再 将这一受精卵移植到一 借腹怀孕的母鼠体内， 生下来的小鼠比正常小 鼠体格大一倍，称为 “巨鼠”。
生物化工工艺学--第7章--生物反应器
十一 冷却装置 • 5M3以下发酵罐一般采用夹套冷却。大型发酵罐采用列管 冷却（四至八组）。带夹套的发酵罐罐体壁厚要按外压计 算。 • 夹套内设置螺旋片导板，来增加换热效果，同时对罐身起 加强作用。冷却列管极易腐蚀或磨损穿孔，最好用不锈钢 制造。
十二 发酵罐装料容积 • 发酵罐装料容积：在一般情况下，装料高度取罐圆柱 部分高度，但须根据具体情况而定。采用有效的机械 消泡装置，可以提高罐的装料量。
第二节 鼓泡反应器
鼓泡反应器是以气体为分散相、液体为连续相、涉及气液界面的反应器。 高径比较大的反应器常称为塔式反应器。 特 点：结构简单，易于操作，操作成本低，混合和传质传热性能好，因此广 泛应用于生物工程行业中，例如乙醇发酵、单细胞蛋白发酵、废水处理、 废气处理（例如用微生物处理气相中的苯）等。鼓泡反应器无传动部件，
• 通常通风管的空气流速取20米/秒。为了防止吹管吹入的空 气直接喷击罐底，加速罐底腐蚀，在空气分布器下部罐底上 加焊一块不锈钢补强。可延长罐底寿命。 • 通风量在0.02~0.5ml/sec时，气泡的直径与空气喷口直径的 1/3次方成正比。也就是说，喷口直径越小，气泡直径也越 小。因而氧的传质系数也越大。但是生产实际的通风量均超 过上述范围，因此气泡直径仅与通风量有关，而与喷口直径 无关。
原生流速与搅拌转速成正比，次生流速近似地与搅拌转速的平方成正比。因此， 当转速提高时，主要靠次生流加速流体的轴向混合，使传热传质速率提高。因 此，新型桨型的开发主要侧重于使轴向流速得到加强。
二、发酵罐的结构
• 罐体 ：由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，材料为碳钢或不 锈钢，对于大型发酵罐可用衬不锈钢板或复合不锈钢制成，衬里 用的不锈钢板厚为2-3毫米。 • 为了满足工业要求，在一定压力下操作、空消或实消，罐为一个 受压容器，通常灭菌的压力为2.5公斤/厘米2（绝对压力）。
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1、悬浮培养生物反应器：机械搅拌式反应器
优点:是能够获得较高的溶氧系数。 缺点:剪切力大。
2、固定化细胞生物反应器
（1）填充床生物反应器
特点：细胞固定于支撑物表面或内部，支撑物颗粒堆叠成床，培养基在床层间流动。
优点：单位体积固定细胞量大。
缺点:混合效果差，使溶氧、pH、温度控制、气体的排出较难。
微囊制作：a将活性细胞悬浮于海藻酸钠溶液中
b将活性细胞悬浮液按一定的液滴大小滴入氯化钙溶液中形成含活细胞的凝胶小珠
c用半透膜材料包被，制成半透性外膜
6、大载体系统培养-----大载体：由海藻酸钠构成
大载体制作：
配制50mmol/L 氯化钙溶液
将活性细胞悬浮于低粘度的海藻酸钠凝胶中混匀
按适宜速度喷珠于氯化钙溶液中
3.固定化培：是既适用于贴壁依赖性细胞，又适用于非贴壁依赖性细胞的包埋培养方式。
三、细胞培养的操作方式
培养方式分为：分批式、流加式、半连续、连续式、灌注式
1、分批式培养：指先将细胞和培养液一次性装入反应器内进行培养，细胞不断生长，产物不断形成，经一段时间后，终止培养
特点：分批式培养过程的环境随时间变化很大
较慢
改变进入气体的氧浓度
过滤
几天~3、4周
很高 添加酸、碱
速度快、范围广
改变搅拌速度 、通气量等
高温蒸煮
几小时~几天
较低
二、动物细胞培养方法
A贴壁培养 B悬浮培养 C固定化培养
1.贴壁培养：是指必须贴附在固体介质表成上生长的细胞培养。
2.悬浮培养：是指细胞在培养器中自由悬浮生长的过程。
三、 微藻大规模培养反应器
(一)敞开式 (二)封闭式
封闭式光生物反应器主要类型 管式、板式以及一些其他特殊类型
1、管式光生物反应器
1）水平放置地面的蛇形管式光生物反应器
用有机玻璃为材料制作，管道平行排列水平放置于地面。
2）浸没在水中冷却的管式生物反应器
反应器的管道材料是聚乙烯塑料,集光管放在水池中
3）降低管路阻力提高藻液流速
4）普遍采用气升循环混合系统
3、板式光生物反应器
1）水平放置的板式光生物反应器
由具有三层壁的单元板组 合而成,单元板的内部结构与空心瓦的内部结构类似。
4、 板式光生物反应器的发展趋势
1）板式光生物反应器板面趋向于空间立体放置。
2）板式光生物反应器光路长度向宽的方向发展。
3) 气升式内环流光生物反应器
反应器由气升管道、下降管、除气室、在线检测与控制系统，光照、热交换和供气系统组成。
4）管道式循环磁处理光生物反应器（教材）用有机玻璃或透明塑料制作
2、管式光生物反应器开发设计的主要发展趋势
1）管径减小并稳定在一定范围内
2）集光管的排列向空间发展
5、悬浮细胞的生长与增殖
细胞数量随时间的变化曲线呈现“S”形。
细胞生长经历：延迟期、对数生长期、直线生长期、减慢期和静止期
6、悬浮培养的优点
A增加培养细胞与培养液的接触面B及时带走培养物产生的有害代谢产物
C保证了氧的充分供应
植物细胞培养反应器
培养方式：悬浮培养和固定化细胞培养
整个过程反应体积是变化的。
流加方式：(1)无反馈控制流加、 (2)反馈控制流加
3、半连续式培养：指在分批式培养的基础上，将分批培养的培养液部分取出，并补充加入等量的新鲜培养基，使反应器内培养液的总体积保持不变。
4、连续式培养：使反应条件处于一种恒定状态。
特点：细胞所处环境条件长时间地稳定
思考题
1、比较植物、动物、微生物细胞的结构和生理特点。
2、描述植物细胞、动物细胞生物反应器的共性。各有何优缺点。
3、你认为最适合于植物细胞、动物细胞培养的生物反应器、培养方法及操作方式，并说明其理由。
反应器:可用与悬浮培养相同设备
优点：比表面积大.生长条件易控制且易放大.兼贴壁与悬浮培养的优势.取样方便.易于分离。
微载体悬浮培养反应器应解决的问题：
搅拌适度，剪切应力小；
能满足细胞所需的溶氧浓度；
能严格控制PH值。
5、微囊培养系统
微囊技术：将生物活性物质、完整的活细胞或组织包在薄的半透膜内。
动物细胞培养反应器
动物细胞培养过程的特点
动物细胞培养定义
将动物组织或细胞从机体取出，分散成单个细胞，给予必要的条件，模拟体内生长环境，使其在体外继续生长和繁殖
1、动物细胞与微生物细胞的性质比较
性质 动物细胞 微生物细胞
大小
代谢调节方式
营养要求
生长速率
机械强度
环境适应性 10-100um
5、灌注培养
灌注培养：是把细胞接种后进行培养，新鲜的培养液从反应器一头不断加入，从另一头不断取出等量的培养液，细胞仍留在反应器内，使细胞处于一种营养不断的状态。
特点：高密度培养动物细胞
动物细胞大规模培养反应器
1、 通气搅拌式细胞培养反应器
优点：避免向培养基直接通气时气泡损伤细胞，没有移动部件，密封好，氧转换率较高，便于放大。
C植物细胞抗剪能力弱
2、细胞培养液的流变学性质：植物细胞培养液的粘度随着细胞浓度的增加而显著上升
3、植物细胞培养过程中的氧传递
所有植物细胞都是好气性的，需要连续不断地供氧。但较好氧微生物的需养量要低得多
二氧化碳的浓度对细胞的生长也相当重要
4、泡沫和表面粘附性
气泡较大，覆盖有蛋白质和粘多糖，粘性大，易粘附于培养液表面以上的器壁上
抽出氯化钙溶液，用生理盐水洗2次
微藻培养反应器
微藻生物技术的优越性:1、光能利用率高；2、易收获和加工；3、商品价值高；4、繁殖快。
微藻在规模培养过程中的特点
1、光照充足，PH、温度合适，无机碳源充足；
2、强化二氧化碳的吸收和大量氧气的排出；
3、混合效果好；
4、避免污染；
5、设备防腐蚀性好。
用途 :培养悬浮生长的细胞和贴壁依赖性细胞
(1)优点
培养器体积小，细胞密度高；浓缩产品；产物纯度高；自动化程度高，细胞生长周期长。
(2)缺点:价格高
4、微载体悬浮培养系统
微载体悬浮培养定义：用微珠作载体， 使单层动物细胞生长于微珠表面，可在培养液中进行悬浮培养。
微载体：贴壁培养动物细胞的载体微珠。
内部和激素
苛刻
倍增时间一般为12-60h
很差，缺乏保护性细胞壁
差 10um
内部
宽松，可利用多种底物
倍增时间一般为0.5-2h
较好
好
2、动物细胞与微生物细胞的培养方法比较
性质 动物细胞 微生物细胞
PH控制菌方法
培养时间
对水纯度的要求 CO2—HCO3缓冲液
缺点：氧传递系数小，气路系统不能就地灭菌。
反应器适用范围-----悬浮培养：非贴壁依赖性细胞和贴壁于微载体的贴壁细胞
2、气升式动物细胞培养反应器：与微生物发酵及植物细胞培养的反应器结构相同。
优点:器内湍流温和均匀剪应力小.完全密封.便于无菌操作.氧的转换率高，便于放大生产。
3、中空纤维细胞培养反应器
植物细胞和动物细胞
植物细胞培养反应器
植物细胞培养：是指在离体条件下将愈伤组织或其他易分散的组织置于液体培养基中，将组织振荡分散成游离的悬浮细胞，通过继代培养使细胞增殖来获得大量细胞群体的方法。
一、植物细胞培养过程的特点
1、培养液中植物细胞的特性
A植物细胞比微生物细胞大
B植物细胞通常以细胞数在2-200之间、直径为2mm左右的非均相集合细胞团方式存在
细胞的生长阶段可分为延滞期、对数生长期、减速期、平稳期和衰退期
在分批培养过程中,与细胞的生长、代 谢相关的主要参数有
细胞密度及其比生长速率、限制性营养物质及其比消耗速率、
产物浓度及其比生长速率、抑制物浓度
2、流加式培养
特点：可避免某种营养成分的初始浓度过高；能防止营养成分在培养过程中被耗尽；
（2）流化床生物反应器
特点：利用流体的能量来悬浮颗粒。
优点：小颗粒传质特性良好。
缺点：剪切力和颗粒碰撞会损坏固定化细胞。
（3）膜生物反应器
中空纤维反应器：细胞保留在管外，基质走管内
螺旋式卷绕反应器：将固定有细胞的膜卷成圆柱状
优点：可重复使用，可以采用较厚的细胞层
缺点: 投资大
优点:是能够获得较高的溶氧系数。 缺点:剪切力大。
2、固定化细胞生物反应器
（1）填充床生物反应器
特点：细胞固定于支撑物表面或内部，支撑物颗粒堆叠成床，培养基在床层间流动。
优点：单位体积固定细胞量大。
缺点:混合效果差，使溶氧、pH、温度控制、气体的排出较难。
微囊制作：a将活性细胞悬浮于海藻酸钠溶液中
b将活性细胞悬浮液按一定的液滴大小滴入氯化钙溶液中形成含活细胞的凝胶小珠
c用半透膜材料包被，制成半透性外膜
6、大载体系统培养-----大载体：由海藻酸钠构成
大载体制作：
配制50mmol/L 氯化钙溶液
将活性细胞悬浮于低粘度的海藻酸钠凝胶中混匀
按适宜速度喷珠于氯化钙溶液中
3.固定化培：是既适用于贴壁依赖性细胞，又适用于非贴壁依赖性细胞的包埋培养方式。
三、细胞培养的操作方式
培养方式分为：分批式、流加式、半连续、连续式、灌注式
1、分批式培养：指先将细胞和培养液一次性装入反应器内进行培养，细胞不断生长，产物不断形成，经一段时间后，终止培养
特点：分批式培养过程的环境随时间变化很大
较慢
改变进入气体的氧浓度
过滤
几天~3、4周
很高 添加酸、碱
速度快、范围广
改变搅拌速度 、通气量等
高温蒸煮
几小时~几天
较低
二、动物细胞培养方法
A贴壁培养 B悬浮培养 C固定化培养
1.贴壁培养：是指必须贴附在固体介质表成上生长的细胞培养。
2.悬浮培养：是指细胞在培养器中自由悬浮生长的过程。
三、 微藻大规模培养反应器
(一)敞开式 (二)封闭式
封闭式光生物反应器主要类型 管式、板式以及一些其他特殊类型
1、管式光生物反应器
1）水平放置地面的蛇形管式光生物反应器
用有机玻璃为材料制作，管道平行排列水平放置于地面。
2）浸没在水中冷却的管式生物反应器
反应器的管道材料是聚乙烯塑料,集光管放在水池中
3）降低管路阻力提高藻液流速
4）普遍采用气升循环混合系统
3、板式光生物反应器
1）水平放置的板式光生物反应器
由具有三层壁的单元板组 合而成,单元板的内部结构与空心瓦的内部结构类似。
4、 板式光生物反应器的发展趋势
1）板式光生物反应器板面趋向于空间立体放置。
2）板式光生物反应器光路长度向宽的方向发展。
3) 气升式内环流光生物反应器
反应器由气升管道、下降管、除气室、在线检测与控制系统，光照、热交换和供气系统组成。
4）管道式循环磁处理光生物反应器（教材）用有机玻璃或透明塑料制作
2、管式光生物反应器开发设计的主要发展趋势
1）管径减小并稳定在一定范围内
2）集光管的排列向空间发展
5、悬浮细胞的生长与增殖
细胞数量随时间的变化曲线呈现“S”形。
细胞生长经历：延迟期、对数生长期、直线生长期、减慢期和静止期
6、悬浮培养的优点
A增加培养细胞与培养液的接触面B及时带走培养物产生的有害代谢产物
C保证了氧的充分供应
植物细胞培养反应器
培养方式：悬浮培养和固定化细胞培养
整个过程反应体积是变化的。
流加方式：(1)无反馈控制流加、 (2)反馈控制流加
3、半连续式培养：指在分批式培养的基础上，将分批培养的培养液部分取出，并补充加入等量的新鲜培养基，使反应器内培养液的总体积保持不变。
4、连续式培养：使反应条件处于一种恒定状态。
特点：细胞所处环境条件长时间地稳定
思考题
1、比较植物、动物、微生物细胞的结构和生理特点。
2、描述植物细胞、动物细胞生物反应器的共性。各有何优缺点。
3、你认为最适合于植物细胞、动物细胞培养的生物反应器、培养方法及操作方式，并说明其理由。
反应器:可用与悬浮培养相同设备
优点：比表面积大.生长条件易控制且易放大.兼贴壁与悬浮培养的优势.取样方便.易于分离。
微载体悬浮培养反应器应解决的问题：
搅拌适度，剪切应力小；
能满足细胞所需的溶氧浓度；
能严格控制PH值。
5、微囊培养系统
微囊技术：将生物活性物质、完整的活细胞或组织包在薄的半透膜内。
动物细胞培养反应器
动物细胞培养过程的特点
动物细胞培养定义
将动物组织或细胞从机体取出，分散成单个细胞，给予必要的条件，模拟体内生长环境，使其在体外继续生长和繁殖
1、动物细胞与微生物细胞的性质比较
性质 动物细胞 微生物细胞
大小
代谢调节方式
营养要求
生长速率
机械强度
环境适应性 10-100um
5、灌注培养
灌注培养：是把细胞接种后进行培养，新鲜的培养液从反应器一头不断加入，从另一头不断取出等量的培养液，细胞仍留在反应器内，使细胞处于一种营养不断的状态。
特点：高密度培养动物细胞
动物细胞大规模培养反应器
1、 通气搅拌式细胞培养反应器
优点：避免向培养基直接通气时气泡损伤细胞，没有移动部件，密封好，氧转换率较高，便于放大。
C植物细胞抗剪能力弱
2、细胞培养液的流变学性质：植物细胞培养液的粘度随着细胞浓度的增加而显著上升
3、植物细胞培养过程中的氧传递
所有植物细胞都是好气性的，需要连续不断地供氧。但较好氧微生物的需养量要低得多
二氧化碳的浓度对细胞的生长也相当重要
4、泡沫和表面粘附性
气泡较大，覆盖有蛋白质和粘多糖，粘性大，易粘附于培养液表面以上的器壁上
抽出氯化钙溶液，用生理盐水洗2次
微藻培养反应器
微藻生物技术的优越性:1、光能利用率高；2、易收获和加工；3、商品价值高；4、繁殖快。
微藻在规模培养过程中的特点
1、光照充足，PH、温度合适，无机碳源充足；
2、强化二氧化碳的吸收和大量氧气的排出；
3、混合效果好；
4、避免污染；
5、设备防腐蚀性好。
用途 :培养悬浮生长的细胞和贴壁依赖性细胞
(1)优点
培养器体积小，细胞密度高；浓缩产品；产物纯度高；自动化程度高，细胞生长周期长。
(2)缺点:价格高
4、微载体悬浮培养系统
微载体悬浮培养定义：用微珠作载体， 使单层动物细胞生长于微珠表面，可在培养液中进行悬浮培养。
微载体：贴壁培养动物细胞的载体微珠。
内部和激素
苛刻
倍增时间一般为12-60h
很差，缺乏保护性细胞壁
差 10um
内部
宽松，可利用多种底物
倍增时间一般为0.5-2h
较好
好
2、动物细胞与微生物细胞的培养方法比较
性质 动物细胞 微生物细胞
PH控制菌方法
培养时间
对水纯度的要求 CO2—HCO3缓冲液
缺点：氧传递系数小，气路系统不能就地灭菌。
反应器适用范围-----悬浮培养：非贴壁依赖性细胞和贴壁于微载体的贴壁细胞
2、气升式动物细胞培养反应器：与微生物发酵及植物细胞培养的反应器结构相同。
优点:器内湍流温和均匀剪应力小.完全密封.便于无菌操作.氧的转换率高，便于放大生产。
3、中空纤维细胞培养反应器
植物细胞和动物细胞
植物细胞培养反应器
植物细胞培养：是指在离体条件下将愈伤组织或其他易分散的组织置于液体培养基中，将组织振荡分散成游离的悬浮细胞，通过继代培养使细胞增殖来获得大量细胞群体的方法。
一、植物细胞培养过程的特点
1、培养液中植物细胞的特性
A植物细胞比微生物细胞大
B植物细胞通常以细胞数在2-200之间、直径为2mm左右的非均相集合细胞团方式存在
细胞的生长阶段可分为延滞期、对数生长期、减速期、平稳期和衰退期
在分批培养过程中,与细胞的生长、代 谢相关的主要参数有
细胞密度及其比生长速率、限制性营养物质及其比消耗速率、
产物浓度及其比生长速率、抑制物浓度
2、流加式培养
特点：可避免某种营养成分的初始浓度过高；能防止营养成分在培养过程中被耗尽；
（2）流化床生物反应器
特点：利用流体的能量来悬浮颗粒。
优点：小颗粒传质特性良好。
缺点：剪切力和颗粒碰撞会损坏固定化细胞。
（3）膜生物反应器
中空纤维反应器：细胞保留在管外，基质走管内
螺旋式卷绕反应器：将固定有细胞的膜卷成圆柱状
优点：可重复使用，可以采用较厚的细胞层
缺点: 投资大