-第七章-生物反应器--细胞培养
第七章植物细胞和次生物质生产详解
（三）成功的悬浮细胞培养体系必须满足 三个条件：
• 悬浮培养物分散性良好，细胞团较小，一般 在30～50个细胞以下
• 均一性好，细胞形状和细胞团大小大致相同。
• 细胞生长迅速，悬浮细胞的生长量一般2～3 天甚至更短时间便可增加一倍。
• 1悬浮培养体系的建立
①材料
• 愈伤组织
• 外植体：幼苗、胚轴、子叶。
如果使处在静止期的细胞悬浮液保存时间太 长，则会引起细胞的大量死亡和解体。因此，当 细胞悬浮液达到最大干重产量之后，即在刚进入 静止期的时候，须尽快进行继代。
• （2）连续培养
指在培养过程中，不断注入新鲜培养基， 排掉用过的培养基，保持培养物的容积恒 定，使培养液中的营养物质得到不断补充。 类型分为封闭型和开放型两种
例如： 麻醉药物：莨菪碱 健身药品：人参皂苷、人参三醇 心血管系统方面：芸香苷、槲皮素 天然色素：叶黄素、类胡萝卜素 香水香料类：挥发油
• 3、植物细胞大规模培养是生产植物次生产 物的理想途径 保护生态环境 提高生产效率 发展新型生物技术产业
植物次生代谢产物市场潜能
产品成分 用途
年销售额（亿美元）
• 例如：新疆紫草愈伤组织的诱导
• 种子 消毒 萌发 根、胚轴、子叶（作 为外植体） 接种到含2.4-D和KT的MS培养基 上诱导愈伤组织。
② 筛选方法
• 愈伤组织外观为大小均一的小颗粒，疏 松易碎、外观湿润、，细胞色泽呈鲜艳 的乳白或淡黄色。
• 挑出愈伤组织培养于高有机质、高激素、 低糖的培养基中培养，诱导出更多得到 愈伤组织。
平板培养技术
二、植物细胞的悬浮培养
• （一）定义： • 细胞悬浮培养（cell suspension culture）：
生物反应器归类
生物反应器归类
生物反应器是一种用于承载和促进生物反应的装置或体系。
根据反应
器的实际应用和操作原理，可以将生物反应器分为几个类别。
1. 发酵反应器：用于微生物发酵过程的反应器，用于生产食品、饲料、药物和生物燃料等。
常见的发酵反应器包括批式发酵罐、连续式发酵
罐和气体提升式发酵罐。
2. 培养反应器：用于细胞培养和组织工程的反应器，用于生产生物药
物和细胞制品。
常见的培养反应器包括摇床培养器、旋转培养器和悬
浮培养反应器。
3. 污水处理反应器：用于处理废水和污水中的有机物和有毒物质。
常
见的污水处理反应器包括活性污泥法反应器、膜分离法反应器和生物
滤池。
4. 生物酶反应器：用于生产酶类产物和催化生物酶反应的反应器。
常
见的生物酶反应器包括固定床反应器、悬浮式反应器和液体-液体界面
反应器。
5. 生物电化学反应器：用于转化生物质和废弃物为电能的反应器。
常
见的生物电化学反应器包括微生物燃料电池、微生物电解池和生物燃
料池。
以上是一些常见的生物反应器类别，各类反应器在不同领域有广泛应用，以满足人类对食品、药物、能源和环境保护等方面的需求。
动植物细胞培养
CO2的含量水平对细胞的生长 同样相当重要
研究发现,植物细胞能非光合地固定一定浓度 的CO2,如在空气中混以2%～4%的CO2能够 消除高通气量对长春花细胞生长和次级代谢物 产率的影响.因此,对植物细胞培养来说,在 要求培养液充分混合的同时,CO2和氧气的浓 度只有达到某一平衡时,才会很好地生长,所 以植物细胞培养有时需要通入一定量的CO2气 体.
填充床/流化床反应器
填充床反应器
流化床反应器
膜反应器
三,影响细胞培养因素
细胞种质影响 外界因素影响 光照影响 光对黄酮化合物形成的影响,培养物在光照特别 是紫外光下黄酮及黄酮类醇糖苷积累的所有酶活性均 增加.通常光照采用荧光灯,或者荧光灯和白炽灯混 合,其光强度是300～10000lx(6～100m/m2s)可以 连续光照,也可以每天光照12～18h. pH 培养基成分的影响:
第二节 动物细胞培养技术
动物细胞培养开始于本世纪初,到1962年规模 开始扩大,发展至今已成为生物,医学研究和 应用中广泛采用的技术方法,利用动物细胞培 养生产具有重要医用价值的酶,生长因子,疫 苗和单抗等,已成为医药生物高技术产业的重 要部分.大规模动物细胞培养在生物技术产业 化进程中显示出强大的潜力. 利用动物细胞培养技术生产的生物制品已占世 界生物高技术产品市场份额的50%.
已有商品市售无血清培养基主要有下述3 类: ①基本合成培养基; ②基本合成培养基加生长因子; ③基本合成培养基加组织抽提物.
合成培养基的种类虽多,但一般都含有氨 基酸,维生素,碳水化合物,无机盐和 一些其它辅助性成分. 在细胞培养中,大多数细胞需要谷氨酰胺 作为能源和碳源 复杂培养基都含有核苷,柠檬酸循环中间 体,丙酮酸,脂类,氧化还原剂如抗坏 血酸,谷胱甘肽等及其他各种化合物.
《生物反应器》PPT课件
发酵罐结构尺寸：V体积=V发酵液量/φ(0.850.9)
发酵罐罐数确定：N=(nt/24)+1(个) n----每天加料的罐数,t---一次发酵周期所需
时间 发酵罐冷却面积计算：A=Q/K△Tm (m2 )
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8
第二节 啤酒发酵设备
1、前发酵设备 传统的前发酵槽均置于发酵室内， 发酵槽大部分为开口式。 前发酵槽可由钢板或钢筋混凝土 制成，形式以长方形或方形为主。 了防止啤酒中有机酸对各种材质 的腐蚀，前发酵槽内均要涂布一 层特殊涂料作为保护层。
(5)厌氧发酵的培养基应先通过加热或喷入无
氧气体来预还原。完整版课件ppt
5
第一节 酒精发酵设备
酒精发酵罐的结构必须首先满足 工艺要求。此外，从结构上还应考 虑有利于发酵液的排出、设备的清 洗、维修以及设备制造安装方便等 问题。
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6
1.冷却水入口 2.取样口
酒精发酵罐
3.压力表
生物反应器的设计
生物反应器设计的重要方面包 括改善生物催化剂，更好的进行过 程控制，有更好的无菌条件以及能 克服速度限制因素（特别是热量和 质量传递）等。
微生物反应器设计的基本要求
（1）避免将需蒸汽灭菌的部件与其
它部件连接，因为即使阀门关闭，细
菌也可在阀门内生长；
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1
（2）尽量减少法兰连接，因为设备震动和 热膨胀会引起连接处的移位，导致染菌。如 有可能，应采用全部焊接结构，焊接部位一 定要确实磨光，以消除积蓄耐灭菌的固体物 质的场所；
(2)罐内的发酵液应尽量装满，以便减少上层 气相的影响。
(3)使用大剂量接种（一般接种量为总操作体 积的10～20％），使培养物迅速生长，减少
第七章-生化反应器
微生物反应器
动植物细胞反应器
第七章 生化反应器
反应器的特点与设计原则
生化反应( 生化反应(器)的特点
在接近中性的pH、 在接近中性的pH、较低的温度及近似细胞生理条件下进行 pH 使反应过程控制最优化， 使反应过程控制最优化，以达到最佳酶反应状态 维持最佳发酵状态， 维持最佳发酵状态，使细胞保持良好生长状态 可以定向的产生一些用一般化学方法难以甚至无法得到的 产品 极大多数生化反应皆在水相中进行
河南
第七章 生化反应器
反应器的种类及选择与操作 动物细胞培养生物反应器
设计必须考虑如下要求 安全因素：具备严密的防污染性能， 安全因素：具备严密的防污染性能，还应有防止反应器中 有害物质或生物体散播到环境的功能。 有害物质或生物体散播到环境的功能。 操作因素：便于操作和维护。 操作因素：便于操作和维护。
第七章 生化反应器
反应器的种类及选择与操作 生化反应( 生化反应(器)的种类 机械搅拌式反应器机械搅拌式反应器-发酵罐的部分部件
消泡器 消泡器的作用是将泡沫打破。最常用的形式有锯齿式、 消泡器的作用是将泡沫打破。最常用的形式有锯齿式、梳 状式及孔板式。 状式及孔板式。
甘肃
第七章 生化反应器
反应器的种类及选择与操作 生化反应( 生化反应(器)的种类 机械搅拌式反应器机械搅拌式反应器-发酵罐的部分部件
• 1、搅拌罐式反应器：
• (1)分批搅拌罐式反应器 • 优点是：装置较简单，造价较低，传质阻力很小，反应能 很迅速达到稳态。 • 缺点是：操作麻烦，固定化酶经反复回收使用时，易失去 活性，故在工业生产中，间歇式酶反应器很少用于固定化 酶，但常用于游离酶。
第七章 生化反应器
• 反应器的种类及选择与操作 • 酶反应器
第七章 生物反应器的检测及控制
9.冷却介质流量与温度
生物发酵过程均有生物合成热产生，对机械搅拌发酵罐 还有搅拌热，为保持反应器系统的温度在工艺规定的范 围内，必须用水等冷却介质通过热交换器把发酵热带走。 要维持工艺要求的发酵温度，对应不同的发酵时期有不 同的发酵热以及冷却介质的温度，需相应改变其流量。 故必须测定冷却介质的进出口温度与流量，据此也可间 接推定发酵罐中的生物反应是否正常进行。
生物细胞本身的状态； (5)反应系统中需控制的主要参变量是什么?这些需控制
的参变量与生物反应效能如何相关对应?
第一节 生化过程主要检测的参变量
在发酵工厂中，生物反应有关的过程可分成培养基灭菌、 生物反应以及产物分离纯化过程。对生物反应器系统， 为了掌握其中生化反应的状态参数及操作特性以便 进行控制，需检测系 列的参数，如表7-1 所示。
对一定的发酵反应器，搅拌转速对发酵液的混合状态、溶氧 速率、物质传递等有重要影响，同时影响生物细胞的生长、 产物的生成、搅拌功率消耗等。对某一确定的发酵反应器， 当通气量一定时，搅拌转速升高，其溶氧速率增大，消耗的 搅拌功率也越大。在完全湍流的条件下，搅拌功率与搅拌转 速的三次方成正比，即，其中N为搅拌转速。此外，某些生 物细胞如动植物细胞、丝状菌等，对搅拌剪切敏感，故搅拌 转速和搅拌叶尖线速度有其临界上限范围。故此，测量和控 制搅拌转速具有重要意义。
4.泡沫高度 液体生物发酵，不管是通气还是厌气发酵均有不同程度
的泡沫产生。发酵液泡沫产生的原因是多方面的，最主 要的是培养基中所固有的或是发酵过程中生成的蛋白质、 菌体、糖浆以及其他稳定泡沫的表面活性物质，加上通 气发酵过程大量的空气泡以及厌气发酵过程中生成的 CO2气泡，都会导致生物发酵液面上生成不同程度的泡 沫层。如控制不好，就会大大降低发酵反应器的有效反 应空间，即装料系数低，增加感染杂菌的机会，严重时 泡沫会从排气口溢出而造成跑料，这导致产物收率下降。 不同的生物反应其泡沫产生情况变化很大，有些生物发 酵过程的泡沫不易控制。
07第七章 细胞工程制药
二、 工 业 微 生 物 营 养 源
三、工业微生物培养基的配制
1、工业培养基的一般要求 （1）单位重量培养基的产物或菌体生成产量应尽可能高。 （2）菌体或产物浓度应尽可能大。 （3）不引起不良反应。 （4）质量稳定、易于获得。 （5）发酵过程易于通气、搅拌，产品易于回收、三废少。 2、培养基配制原则 （1）营养成份配比应适当，尤其是C/N比例应附合要求。C/N比过小，菌体 生长过快，菌体容易衰老。C/N比过大，菌体生长缓慢。 （2）渗透压应适合。 （3）PH值应适合，常用磷酸缓冲液来维持PH值。 （4）氧化还原电位应附合要求，常在培养基中加入巯基乙酸钠、Na2S、 Na2S2O3、抗坏血酸来稳定电位值。
（3）原生质融合子的鉴别和检出
• 如果二亲本分别为营养缺陷型A+B-、A-B+，那么经过融合后的 重组体则可能为A+B+、A-B-， • 如果二亲本分别为抗药性菌株SrTs、SsTr，那么经过融合后的重 组体则可能为SsTs、SrTr，
• 重组子检出方法分为二种： [A]、直接检出法------将融合后的混合原生质体培养在高渗再生培养 基平板之中，不加二亲本生长所需要的营养物、这样就能够直接 选择出原营养型杂种菌株。或者同时补充二种抗性药物，就可以 选择出具有双重抗药性的杂种菌株。 [B]、间接检出法------先把融合液涂布于高渗再生培养基平板之中， 使亲本和重组子都能够生长，然后再影印复制到选择性培养剂之 中，凡是能够生长者即为经过融合的杂种菌株。
4、原生质体融合实例--细菌原生质体融合 （1）供融合用亲本菌株 （2）直接亲本标记的获得 （3）原生质体制备 （4）原生质体再生成细菌菌落 （5）原生质体融合子的检出 （6）融合子的继代培养以及验证 （7）融合结果
细胞工程-7.转基因动物与生物反应器
从分子水平和乳腺分泌物两个方面进行鉴定。
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■ 目的基因的选择
选择目的基因的基本要求是，正常情况下浓度低、翻译后修饰复杂、其它表达体系难以表达或表达量低、应用前景广阔的蛋白基因。
■ 体外重组
选择好目的基因和启动子调控元件后进行体外重组，构建融合基因。
■ 基因转导
将构建好的重组基因用基因转导方法转移到受精卵。
■ 胚胎移植
利用胚胎移植技术将制备的转基因受精卵植入待孕母体子宫内，生产转基因动物，得到转基因乳腺表达个体。通过采集转基因动物的乳汁，来获得目的基因表达产物。
━转基因技术:通过人工方式将外源基因整合到生物体基因组内，并使该转基因生物能够稳定地将此基因遗传给后代的技术。
━转基因动物:在基因组内稳定地整合外源基因，并且可以稳定地遗传给后代的基因工程动物。
━转基因动物细胞反应器制备流程
■ 外源目的基因的制备
■ 外源目的基因有效导入生殖细胞或胚胎干细胞
■ 选择获得携有目的基因的细胞
■ 选择合适的体外培养系统和宿主动物
■ 转基因细胞胚
■ 胎发育及鉴定
■ 筛选所得的转基因动物品系。
━生物反应器的类型
■ 动物血液生物反应器
■ 动物乳腺生物反应器
■ 动物膀胱生物反应器
动物乳腺生物反应器的制备
■ 表达载体的构建
目前用于表达载体的启动子调控元件选用动物乳蛋白基因启动子元件，主要有四类乳腺定位表达调控元件。
细胞生物反应器操作规程
细胞生物反应器操作规程1. 引言细胞生物反应器是一种用于细胞培养和生物反应的设备，广泛应用于生物技术、药物研发和生物制造等领域。
为了确保细胞生物反应器的安全运行和实验的顺利进行，制定本操作规程，指导操作人员正确操作细胞生物反应器。
2. 设备准备2.1 细胞生物反应器的准备•检查细胞生物反应器的外观，确保无损坏和杂质•清洗细胞生物反应器，使用无菌纯水和无菌洗涤剂进行彻底清洗•消毒细胞生物反应器，使用适当浓度的消毒液，按照消毒液说明书进行消毒2.2 培养基和试剂的准备•准备所需的培养基和试剂，确保其质量合格和纯度符合要求•按照配方和操作规程正确配置培养基和试剂2.3 实验室环境的准备•检查实验室环境，确保无尘、无菌和温度、湿度适宜•细胞生物反应器与其他实验仪器保持适当的距离，避免相互影响3. 细胞生物反应器操作3.1 细胞接种•准备合适的细胞培养物，确保其活性和纯度•将细胞培养物转移到培养基中，按照所需的细胞密度进行接种3.2 培养条件的设置•根据实验要求，设置适宜的温度、气体和培养基流速等培养条件•确保细胞生物反应器的搅拌速度和通气速度符合要求3.3 监测细胞生长和反应过程•定期监测细胞生长情况，记录生长曲线和细胞密度•注意观察细胞状态、代谢产物和废料的积累情况3.4 维持培养条件•定期检查和调整培养基和试剂的浓度和配比•确保培养基的pH值、温度和氧气浓度稳定在适宜范围内3.5 细胞收获和处理•在适当的时间点，根据实验要求采集细胞样品•使用无菌工具和操作方式，将细胞样品抽取或离心收集4. 维护和清洁4.1 细胞生物反应器的维护•定期检查细胞生物反应器的运行状况，确保无故障和损坏•按照使用说明书和操作要求更换消耗品和零配件4.2 细胞生物反应器的清洁•实验结束后，立即清洗细胞生物反应器，避免污垢和细胞残留物的附着•使用适当的清洗剂和工具进行清洁，保持反应器的干净和无菌状态5. 安全注意事项•操作前请佩戴个人防护装备，如实验手套、口罩和防护眼镜等•操作过程中注意细胞生物反应器和培养基的无菌操作，避免污染•注意消毒液和试剂的正确使用和储存，避免危险和污染•遵守实验室操作规程，注意使用细胞生物反应器时的安全操作6. 总结本操作规程对细胞生物反应器的操作流程和注意事项进行了详细介绍，目的在于规范操作流程，确保实验的顺利进行和实验结果的可靠性。
生物反应器
收获
氧气 回流 加热器 气体交换
PH
DO T
CO2Leabharlann 传感器泵五、生物反应器的主要培养产物
1.病毒疫苗 病毒疫苗 2.非抗体免疫调节剂 非抗体免疫调节剂 3.多肽生长因子 多肽生长因子 4.酶类 酶类 5.激素 激素 6.肿瘤特异性抗原 肿瘤特异性抗原 7.单克隆抗体 单克隆抗体 8.病毒杀虫剂 病毒杀虫剂
流态床化学反应器，不同的是，流态化的 固体是带有细胞 细胞的微粒。培养液通过反应 细胞 器垂直向上循环流动不断提供给细胞必要 的营养成分，使细胞得以在微粒中生长； 同时，不断地加入新鲜的培养液，并不断 地排除培养产物或代谢产物。图11-7为生 产用CF-IMMOTM流化床生物反应器的示 意图，这种反应器的传质性能很好，并在 反应塔 循环系统中采用膜气体交换器 膜气体交换器，能快速提 膜气体交换器 供给高密度细胞所需的氧，同时排除代谢 产物；反应器中的液体流速足以使细胞微 粒悬浮却不会损坏脆弱的细胞。由于流化 床生物反应器满足了高密度细胞培养、使 高产量细胞长时间停留在所应器中、优化 细胞生长与产物合成的环境等细胞培养的 要求，流化床生物反应器既可用于贴壁依 赖性细胞的培养，又可用于非贴壁依赖性 细胞的培养。表11-11为流化床生物反应器 达到的细胞密度。
完！谢谢！
二、生物反应器的基本要求
(1)混合系统设计应能提供均匀、温和的混合 状态，剪切力小，保证良好的传质效果。 (2)反应器内空间利用率高，选用合适的载体 系统和材料。 (3)能严格保证无菌环境。 (4)能精确地控制温度、酸碱度、溶解氧和 C02浓度等条件。 (5)能够方便地实现培养液的连续添加、样品 的采样和观察。
抗体产量， 抗体产量，mm/l
滚瓶 20 127 10 30 76 25 38 100
第7章生物反应器及其工程放大
工业重要特性 主要应用领域
人事费用高 流速受冲出限制 空压机出口压力 要高 可采用鼓风机 需转子高速旋转 人事费用高 无需通风设备 剪切应力小
需光源
大多数工业生产 污水处理、SCP生产等 有机酸,如柠檬酸生产等
面包酵母等生产 乙酸、酵母等生产 麸曲、酶制剂和麦芽生产等 酒精、啤酒等生产 杂交瘤单克隆抗体、烟草细胞 培养等 微藻等生产
7-1 生物反应器设计基础
1 生物反应器的特点与生物学基础
内容提纲
4
2 生物反应器的分类和结构特点 3 生物反应器中的混合
ห้องสมุดไป่ตู้生物反应器传热
7-1 生物反应器设计基础
生物反应器定义:
生物反应器（Bioreactor）是指任何提供生物活性环境的 制造或工程设备，是有效利用生物反应机能的系统或场所。
生物工业中使用的生物反应器有多种型式，即使在同一行 业中也可能采用不同型式的生物反应器。
基因、细胞代谢和反应器工程水平上多尺度的系统反应，虽 然，不同尺寸的反应器可能只是大小的不同，但是引起的细 胞内的生物反应的种类和速度可能大不相同，因此，达到上 述目的存在一定的挑战。
7-1-1 生物反应器设计特点与生物学基础
4）生物反应器选型与设计的要点 （1）选择适宜的生物催化剂。
7-1-1 生物反应器设计特点与生物学基础
表1 生物反应器的操作特性
反应器类型 pH 温度
控制 控制
批式(通用罐) 如需 如需 连续搅拌罐式 如需 如需 气升式反应器 如需 如需
鼓泡式反应器 自吸式反应器 通风制曲设备 嫌气反应器
动植物细胞用 反应器 光合反应器
如需 如需 难控 如需 如需
如需
如需 如需 如需 如需 如需
植物细胞培养的生物反应器
• 1、机械搅拌式生物反应器 • 2、鼓泡塔生物反应器 • 3、气升式生物反应器 • 4、转鼓式生物反应器 • 5、固定化细胞生物反应器 • 6、各种生物反应器性能比较
• 植物细胞的发酵培养借鉴了微生物发酵的经验， 但植物细胞和微生物相比存在着很多差异：植物 细胞的直径为10m-100m，比细菌和真菌细 胞大10-100倍；植物细胞的纤维素壁具有较差 的抗剪切能力；植物细胞的呼吸率低，对氧的需 求也低。此外，植物细胞培养生物反应器的设计 与各类植物细胞的不同生理特征和代谢方式有关， 同时也与培养方式相联系。
• 反应器的选择取决于生产细胞的密度、通气量以 及所提供的营养成分的分散程度。
• 根据通气和搅拌系统的类型可将生物反应器分为 以下几类： ①摇瓶 ②搅拌型生物反应器 ③环流生物反应器和鼓泡塔生物反应器
• 提高植物细胞生产率需要： （1）增加细胞浓度 （2）高活力细胞 （3）适度剪切和混合
1、机械搅拌式生物反应器
4、转鼓式生物反应器
优点：转动促进氧及营养物的混合。 设置挡板有助于提高氧传递。
缺点：难以大规模操作，放大困难。
5、固定化细胞生物反应器
优点：①保护细胞免受剪切。 ②固定化细胞可重复使用。 ③易于高密度培养。 ④细胞间接触良好。 ⑤减少遗传不稳定性。 ⑥易于连续化操作。
先决条件：使细胞代谢产物分泌到胞外。
植物细胞反应器的选择
• 综合考虑因素： （1）供氧能力及气泡分散程度。 （2）剪切力的影响。 （3）高密度培养液的混合程度。 （4）温度、pH及营养物浓度的控制能力。 （5）细胞团大小的控制能力。 （6）易于放大。
• 优点：反应器中温度、pH、溶氧及营养物浓度易 控制。
缺点：剪切力损伤细胞。
生化工程知识点
生物反应工程知识点第一章绪论*生物反应过程：将生物技术的实验室成果经工艺及工程开发而成为可供工业生产的工艺过程。
技术产品的生产过程。
生物反应过程最重要特征：有生物催化剂的参与*由四部分组成：原材料的预处理---生物催化剂的制备---生物反应器及反应条件的选择与监控---产品的分离纯化。
整个生物反应过程以生物反应器为核心把反应前与后称为上游加工和下游加工。
重点内容：1）建立生物反应过程动力学，以确定包括传质因素影响在内的生物反应过程的宏观速率；2）建立与设计生物反应器，以保证为生物反应过程提供适宜的物理和化学环境，实现反应过程的优化。
反应过程的特点：1）采用可再生资源为主要原料，来源丰富，价格低廉，原料成分难以控制。
2）反应条件温和。
3）生物催化剂易失活，难以长期使用。
4）生产设备较简单、能耗较低。
5）反应基质与产物浓度不能太高，生产效率较低。
6）反应机理复杂，较难检测与控制。
7）反应液杂质多，分离提纯困难1.2.2.1生物反应动力学①本征动力学：（微观动力学）它是指没有传递等工程因素影响时，生物反应固有的速率。
该速率除反应本身的特性外，只与反应组分的浓度、温度、催化剂及溶剂性质有关，而与传递因素无关。
②宏观动力学：（反应器动力学）它是指在一反应器内所观测得到的总反应速率及其影响因素，这些影响因素包括反应器的形式和结构、操作方式、物料的流动与混合、传质与传热等。
研究方法（细胞反应动力学模型--数学模型方法）：机理模型（结构模型）、半经验模型、经验模型生物技术的最终目的：建立工业生产过程，并且又以生化反应过程为核心。
第二章均相酶催化反应动力学酶催化作用的特点：高效的催化活性；高度的专一性；催化作用条件温和；酶活性的不稳定性（易变性失活）；常需要辅因子的参与（金属离子、辅酶、辅底物）；酶活性的可调节性（酶浓度调节、共价修饰调节、抑制调节、反馈调节、神经体液调节、别构调节）酶催化反应类型：氧化还原酶类；转移酶类；水解酶类；裂合酶类；异构酶类；合成酶类（连接酶类）酶的转化数Kcat:每个酶分子每分钟催化底物转化的分子数，是酶催化效率的一个指标催化周期T=1/KcatKm 是酶的特征常数之一，一般只与酶的性质有关，而与酶的浓度无关，可用于鉴定酶。
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）。
细胞生物反应器操作规程
细胞生物反应器操作规程
《细胞生物反应器操作规程》
一、操作前准备
1. 确保细胞生物反应器的清洁和消毒，使用无菌工具进行操作。
2. 准备好所需的培养基和细胞培养物，确保培养基无菌。
二、启动细胞生物反应器
1. 打开细胞生物反应器的电源并进行系统自检，确保设备正常工作。
2. 设置合适的温度、湿度和通气参数，逐步提高气体流速以保持适当的搅拌和氧气供应。
三、接种细胞
1. 将预先培养好的细胞悬液加入到生物反应器中，根据需要调整培养基的体积和浓度。
2. 确保细胞在生物反应器中均匀分布，并避免细胞聚集和沉积。
四、细胞培养
1. 监测细胞生长情况和代谢产物的积累，根据需要调整培养基的成分和供给量。
2. 定期取样检测细胞培养物的质量，确保细胞状态良好并避免细菌和真菌的污染。
五、收获细胞产物
1. 根据培养物中细胞数量和产物浓度的变化，判断是否进行细胞产物的收获。
2. 使用无菌操作取出细胞产物并进行后续处理，如纯化、浓缩或储存。
六、关闭细胞生物反应器
1. 关闭细胞生物反应器的电源并进行系统清洁和消毒，确保设备处于干净的状态。
2. 将相关记录整理并存档，包括操作日志、质量检测结果和细胞产物的收获情况。
以上就是《细胞生物反应器操作规程》，请严格按照规程操作，以确保细胞生物反应器的正常运行和细胞培养的成功。
细胞培养反应器的操作模式
细胞培养反应器的操作模式动物细胞大规模培养的生物反应器操作模式，一般分为分批式操作（batch）、流加式操作（Fed-batch）、半连续式操作（semi-continuous）、连续式操作（continuous）和灌流式操作（perfusion）五种操作模式。
1.批式操作（batchculture）批式操作是动物细胞规模培养进程中较早期采用的方式，也是其它操作方式的基础。
该方式采用机械搅拌式生物反应器，将细胞扩大培养后，一次性转入生物反应器内进行培养，在培养过程中其体积不变，不添加其它成分，待细胞增长和产物形成积累到适当的时间，一次性收获细胞、产物、培养基的操作方式。
该方式的特点:(1)操作简单。
培养周期短，染菌和细胞突变的风险小。
反应器系统属于封闭式，培养过程中与外部环境没有物料交换，除了控制温度、pH值和通气外，不进行其他任何控制，因此操作简单，容易掌握；(2)直观的反应细胞生长代谢的过程。
由于培养期间细胞的生长代谢是在一个相对固定的营养环境，不添加任何营养成分，因此可直观的反应细胞生长代谢的过程，是动物细胞工艺基础条件或"小试"研究常用的手段；(3)可直接放大。
由于培养过程工艺简单，对设备和控制的要求较低，设备的通用性强，反应器参数的放大原理和过程控制，比较其它培养系统较易理解和掌握，在工业化生产中分批式操作是传统的、常用的方法，其工业反应器(Genetech)规模可达12000L。
分批培养过程中，细胞的生长分为五个阶段：延滞期、对数生长期、减速期、平稳期和衰退期。
分批培养的周期时间多在3~5天，细胞生长动力学表现为细胞先经历对数生长期（48~72h）细胞密度达到最高值后，由于营养物质耗劫或代谢毒副产物的累积细胞生长进入衰退期进而死亡，表现出典型的生长周期。
收获产物通常是在细胞快要死亡前或已经死亡后进行。
经过改进的搅拌式生物反应器，目前仍是大规模培养动物细胞用以生产各种药物的主要设备，也是早期用以生产单抗的主要途径。
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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
提取 冻干 分散 培养
细胞悬液
细胞培养物
浓缩
分离
培养液
提取液
层析纯化
层析液
浓缩液
层析精制
层析液
tPA成品
2.抗HBsAS的单克隆抗体生产工艺流程
大鼠骨髓瘤＋免疫大鼠脾淋巴细胞
杂种细胞混合物 培养液
第一节 植物细胞培养
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（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
• 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。
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。
LS培养基 诱导培养 悬浮培养 一级培养
紫草种子
二级培养
无菌幼根 发酵液
愈伤组织
过滤
悬浮细胞
分离
细胞增殖培养
干燥
产物培养
细胞收集
产物提取
成品
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
（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。
1 动物细胞培养方法
（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。
2 动物细胞培养技术的应用
原生质体培养
1植物细胞（组织）培养--- (3)植物体细
胞杂交
(1) (2) (3) (4) (5)
(1)
植物A细胞 去壁 植物B细胞 杂种植株
原生质体A
原生质体融合
融合体 再生壁
原生质体B 愈伤组织
细胞分裂
杂种细胞
2 植物细胞培养(plant cell culture)
• 植物细胞培养与微生物的区别：
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
1 动物细胞培养方法
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。
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
第三篇
第四篇
生物反应设备
产物分离设备
其他设备
典型工业生物技术过程
细胞 酶 空气 除 菌
检测控 制仪表
副产品
产品提取纯化
生物催化剂 （游离或固定化）
生物反应器
（灭菌）
(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
↑排气
进气
4 植物细胞培养的应用
植物细胞的生产流程与应用
（1)西洋参细胞培养
乙醇消毒
西洋参根
过滤
诱导培养
悬浮培养
大量培养
无菌根
干燥
（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 植物细胞培养反应器
悬浮培养 植物细胞培养 固定化细胞培养
机械搅拌反应器 非机械搅拌反应器 悬浮培养反应器 组合式反应器 光生物反应器
填充床反应器 固定化细胞培养反应器流化床反应器 膜反应器
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）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。
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
第七章 生物反应器—细胞培养反应器
第一节 第二节 第三节 植物细胞反应器 动物细胞反应器 微藻培养反应器
典型工业生物技术过程
细胞 酶 空气 除 菌
愈伤组织
悬浮细胞
发酵液
细胞
西洋参细胞干粉成品
(2)药物的生产
植物细胞 紫草细胞 苦瓜细胞 长春花细胞 产物 紫草宁 类胰岛素 长春花碱 产物作用 抗炎剂、食用色素 治疗糖尿病 治疗白血病药
红豆杉细胞
毛地黄细胞
紫杉醇
毛地黄毒素
抗癌药物
强心剂
植物细胞培养的应用
(3) 代谢产物的生产
紫草细胞培养生产紫草宁(Shikonin)
优点： 混合性能好
缺点：剪切力大。
传氧效率高
操作弹性大 可用于细胞高密度培养；
Stirred Tank Bioreactors
机械搅拌式反应器
2 植物细胞培养反应器
机械搅拌通风式生物反应器
2 植物细胞培养反应器
（2）非机械搅拌式反应器---气升式
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
分离 克隆化
融合
融合混合物
筛选 扩大培养
杂交瘤克隆系
精制
种质培养
细胞种质
粗制McAb
层析液
超虑
浓缩液 冻干 McAb精品
杂交瘤技术
3 动物细胞培养的特点
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；
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。
植物细胞培养反应器
紫草细胞培养
LS培养基 诱导培养 悬浮培养 一级培养
紫草种子
无菌幼根
愈伤组织
悬浮细胞
细胞增殖培养
植物细胞培养反应器
（3）组合式反应器
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。 光生物反应器
检测控 制仪表
副产品
产品提取纯化
生物催化剂 （游离或固定化）
生物反应器
（灭菌）
产品 废物
原材料 营养物
底物
经加工 原料
机械能
热能
培养基
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？
2 植物细胞培养反应器
悬浮培养生物反应器 （1） 机械搅拌式反应器
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
植物细胞培养反应器
固定化细胞生物反应器
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。
（5） 流化床反应器
→出口
利用液体的能量 来悬浮颗粒。