-第七章-生物反应器--细胞培养

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
（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
(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
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)
（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
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
பைடு நூலகம்
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）
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。
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
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。
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(plant cell culture)
• 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；
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？
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
第五章 生物反应器—通风搅拌发酵罐
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。
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
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。
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；
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。
• 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。
Gottleib Haberlandt
1植物细胞（组织）培养--- (1)植物原生质体培养
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。
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
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
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：
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
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
中空纤维
螺旋卷绕反应器
3 植物组织培养反应器
发状根大规模培养
4 3
2
↑8
7
5
10
1
9 6
植物组织培养反应器
有鼓泡式反应器、气升式反应器等气体搅拌式反应器
→Gas outlet
↑
↑ ↑ ↑ ↑
Culture medium Sieve plate
↑ ↑
Air inlet
Bubble Column Bioreactor
植物细胞培养反应器
非机械搅拌式反应器
Air-lift Bioreactor
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。
（4）填充床反应器
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。
↑
进口
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
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。
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？
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