第三章 植物细胞和动物细胞培养反应器

单克隆抗体 IgG、IgM、IgA等
免疫调节剂 细胞生长因子、干扰素、白细胞活化因子、胸腺素
酶
胰蛋白酶、尿激酶、胶原酶、胃蛋白酶
激素
生长激素、促红细胞生成素
一 、 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。
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一、植物细胞培养过程的特点
1、培养液中植物细胞的特性 植物细胞比微生物细胞大 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

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
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 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
所有植物细胞都是好气性的，需要连续 不断地供氧。 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
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。
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 抽出氯化钙溶液，用生理盐水洗2次
第三节 微藻培养反应器
一、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。
二、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。
反应器的优缺点
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。 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
1）结构 2）用途 : 培养悬浮生长的细胞和贴壁依赖性细 胞
3)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。
4)缺点:价格高
(1)优点
1、 分批式培养
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 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。
(3)在分批培养过程中,与细胞的生长、代 谢相关的主要参数有

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。 反应器:可用与悬浮培养相同设备
1、动物细胞与微生物细胞的性质比较
表
性质 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
动物细胞与微生物细胞的性质比较
动物细胞 10-100um 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 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
（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。
（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。
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。



微囊制作：
将活性细胞悬浮于海藻酸钠溶液中 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 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：
第三章
植物细胞和动物细胞 培养反应器
第一节
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。
表1 植物细胞培养和从完整的植物 生产紫草宁的比较 生产方式 完整植物 植物细胞培 养 收获时间 2-3年 紫草宁浓度 （%干重） 1-2

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； 整个过程反应体积是变化的。
培养过程各参数的变化可写为： d（VX）/ dt = uVX V---培养液的体积； X--为t时间时的细胞密度； u--为细胞的比生长
6、悬浮培养的优点


增加培养细胞与培养液的接触面 及时带走培养物产生的有害代谢产 物 保证了氧的充分供应
二 、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
1、悬浮培养生物反应器
(1)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
（3）膜生物反应器

中空纤维反应器 螺线式卷绕反应器
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
第二节 动物细胞培养反应器
动物细胞培养的产物举例
疫苗 小儿麻痹症疫苗、狂犬疫苗、脑炎疫苗、疱疹疫苗、 风疹疫苗
3、板式光生物反应器
1）水平放置的板式光生物反应器 这种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。
2）浅层溢流板式光生物反应器
反应器由多个平行的板组成
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。
二、动物细胞培养方法




贴壁培养 悬浮培养 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。
3.固定化培养
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 半连续式 连续式 灌注式
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


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
5、灌注培养
三、 微藻大规模培养反应器
(一) (二)
敞开式 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
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
图（生化生产工艺学P221）
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
工作原理:反应器运转
时，圆筒以3060r/min的速度转动， 由于离心力的作用， 搅拌器中心管内产生 负压，使搅拌器外培 养基流入中心管，沿 管螺旋上升，再从导 流筒口排出，从搅拌 器外沿下降，形成循 环流动。在气腔内气 体由分布管鼓泡，气 体溶于液体中，依靠 气腔丝网外液体的循 环流动及扩散作用， 使溶于液体中的气体 成分均匀地分动物细胞与微生物细胞的培养方法比较
性质 PH控制 搅拌速度 溶氧控制 培养基灭菌方法 培养时间 对水纯度的要求 动物细胞 CO2—HCO3缓冲液 较慢 改变进入气体的氧浓度 过滤 几天~3、4周 很高 微生物细胞 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
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。