《动物生物反应器》PPT课件
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《生物反应器》PPT课件
第二章 生物反应器
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1
生物反应器：是指有效利用生物反应机能的系统（或 场所），不仅包括传统得发酵罐（fermenter）、酶反 应器，还包括采用固定化技术后的固定化酶或细胞反 应器、动植物细胞培养用反应器和光合生物反应器等。
生物反应器：为生物催化剂进行反应而提供良好反应 环境的核心设备。
对细胞生长： 累积量=进入量-流出量+生长量-死亡量
对底物消耗： 累积量=进入量-流出量-反应消耗量
对产物生成： 累积量=进入量-流出量+反应生成量
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9
反应器设计和操作参数
停留时间τ 反应器体积VR 转化率φ=(S0-S)/S0 生产能力(生产强度)PX: 单位时间单位体积 的细胞的生产量(kg *m-3 *h-1)。
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5
生物反应器选型与设计的要点
选择适宜的生物催化剂。这包括要了解产物在生物反 应的哪一阶段大量生成、适宜的pH和温度，是否好氧 和易受杂菌污染等。
确定适宜的反应器形式。 确定反应器规模、几何尺寸、操作变量等。 传热面积的计算。 通风与搅拌装置的设计计算。 材料的选择与确保无菌操作的设计。 检验与控制装置。 安全性。 经济性。
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24
连续活塞流反应器
平稳，等速流动，不存在返混，所有微元体在反应器 中的停留时间都是相同的。
返混：反应器内停留时间不同的微元流体之间的“混 合”。
CSTR反应器可使这种返混的程度达到最大，常称为全 混流反应器；CPFR是另一个极端，在反应器中不存在 返混，是活塞流反应器。
主要用途：对剪切敏感的组织培养过程，废水处理过 程，固定化酶和固定化细胞的反应过程。
优点：较高的产率，易优化控制
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1
生物反应器：是指有效利用生物反应机能的系统（或 场所），不仅包括传统得发酵罐（fermenter）、酶反 应器，还包括采用固定化技术后的固定化酶或细胞反 应器、动植物细胞培养用反应器和光合生物反应器等。
生物反应器：为生物催化剂进行反应而提供良好反应 环境的核心设备。
对细胞生长： 累积量=进入量-流出量+生长量-死亡量
对底物消耗： 累积量=进入量-流出量-反应消耗量
对产物生成： 累积量=进入量-流出量+反应生成量
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反应器设计和操作参数
停留时间τ 反应器体积VR 转化率φ=(S0-S)/S0 生产能力(生产强度)PX: 单位时间单位体积 的细胞的生产量(kg *m-3 *h-1)。
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5
生物反应器选型与设计的要点
选择适宜的生物催化剂。这包括要了解产物在生物反 应的哪一阶段大量生成、适宜的pH和温度，是否好氧 和易受杂菌污染等。
确定适宜的反应器形式。 确定反应器规模、几何尺寸、操作变量等。 传热面积的计算。 通风与搅拌装置的设计计算。 材料的选择与确保无菌操作的设计。 检验与控制装置。 安全性。 经济性。
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连续活塞流反应器
平稳，等速流动，不存在返混，所有微元体在反应器 中的停留时间都是相同的。
返混：反应器内停留时间不同的微元流体之间的“混 合”。
CSTR反应器可使这种返混的程度达到最大，常称为全 混流反应器；CPFR是另一个极端，在反应器中不存在 返混，是活塞流反应器。
主要用途：对剪切敏感的组织培养过程，废水处理过 程，固定化酶和固定化细胞的反应过程。
优点：较高的产率，易优化控制
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）
生物反应器ppt课件
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37
技术参数：
标准配置：
1、罐体系统：
罐体全容积：5L；工作容积：2~4L
罐体材质：硼硅玻璃+316L不锈钢；罐盖材质： 316L不锈钢
罐体设计压力：0.1Mpa；夹套设计压力： 0.25Mpa
罐盖结构：标准温度、PH、 DO 传感器插口各1 个；标准泡沫电极插口1个；通用补料接口2个； 接种口1个；排气口1个；取样管口1个
35
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。（见彩图）
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36
产品名称：5L离位灭菌自动台式发酵罐 型 号： SY-3005QB
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8
3、植物细胞培养的特殊条件
(1)光照：离体培养的植物细胞对光照条件不严格， 因为细胞生长所需要的物质主要是靠培养基供给， 但光照不但与光合作用有关，而且与细胞分化有关。
(2)激素：植物细胞的分裂和生长特别需要植物激 素的调节，促进生长的生长素和促进细胞分裂的分 裂素是最基本的激素。
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（二）描述方法
动力学的研究目的是定量地描述过程 的速率以及影响过程速率的诸多因素。
生物过程动力学研究的主要问题是生物 反应的速率，特别是细胞生长的速率、各 种基质组分的消耗速率、代谢产物的生成 速率。
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11
常用的有：
⑴反应速率：单位时间物质浓度的变化量。如：细胞
的生长速率、代谢产物的生成速率等。
产生的（开始时需接入菌种），为防止杂菌污染和活 性衰退，一般采用分批釜式反应器；
《动物生物反应器》课件
《动物生物反应器》PPT 课件
动物生物反应器是一种用于细胞培养和蛋白表达的装置，广泛应用于医药研 发、生物制药和基础生物学研究领域。
概述
动物生物反应器是一种用于细胞培养和蛋白表达的装置。
什么是动物生物反应器
动物生物反应器是一种用于细胞培养和蛋白表达的装置，提供了一个模拟人体环境的生物反 应环境。
应用领域
动物生物反应器可用于评价细胞的 生长、增殖和代谢状态，为细胞研 究提供关键数据。
常见问题
在使用动物生物反应器时需要注意一些常见问题。
1 操作注意事项
2 故障排除
使用动物生物反应器时需要注意无菌操作、温度 控制、培养基配制和营养物供应等细节。
遇到反应器故障时，需要检查控制系统、设备连 接和供应物质等方面，进行故障排除。
其他配套设施
动物生物反应器还包括其他配套 设施，如气体供应系统、溶液混 合装置和废液处理系统等。
工艺流程
动物生物反应器的工艺流程包括多个关键步骤。
1
细胞养与传代
2
培养细胞并定期传代，以维持细胞的生长和
扩增。
3
蛋白表达及提取
4
通过培养和收集细胞中产生的蛋白，进行纯 化和提取。
培养基制备
制备适合细胞生长和表达的培养基，包括营 养物、生长因子和抗生素等。
参考资料
以下是一些有关动物生物反应器的参考资料。 • 期刊论文 • 厂家手册 • 相关网站
在设计动物生物反应器时需要考虑的因素包括： 反应器体积、控制系统、环境参数调控、操作便 捷性等。
结构组成
动物生物反应器由多个组成部分构成。
反应器本体
动物生物反应器的本体通常由生 物兼容性材料制成，具有特定的 体积和形状，用于存储和培养细 胞。
动物生物反应器是一种用于细胞培养和蛋白表达的装置，广泛应用于医药研 发、生物制药和基础生物学研究领域。
概述
动物生物反应器是一种用于细胞培养和蛋白表达的装置。
什么是动物生物反应器
动物生物反应器是一种用于细胞培养和蛋白表达的装置，提供了一个模拟人体环境的生物反 应环境。
应用领域
动物生物反应器可用于评价细胞的 生长、增殖和代谢状态，为细胞研 究提供关键数据。
常见问题
在使用动物生物反应器时需要注意一些常见问题。
1 操作注意事项
2 故障排除
使用动物生物反应器时需要注意无菌操作、温度 控制、培养基配制和营养物供应等细节。
遇到反应器故障时，需要检查控制系统、设备连 接和供应物质等方面，进行故障排除。
其他配套设施
动物生物反应器还包括其他配套 设施，如气体供应系统、溶液混 合装置和废液处理系统等。
工艺流程
动物生物反应器的工艺流程包括多个关键步骤。
1
细胞养与传代
2
培养细胞并定期传代，以维持细胞的生长和
扩增。
3
蛋白表达及提取
4
通过培养和收集细胞中产生的蛋白，进行纯 化和提取。
培养基制备
制备适合细胞生长和表达的培养基，包括营 养物、生长因子和抗生素等。
参考资料
以下是一些有关动物生物反应器的参考资料。 • 期刊论文 • 厂家手册 • 相关网站
在设计动物生物反应器时需要考虑的因素包括： 反应器体积、控制系统、环境参数调控、操作便 捷性等。
结构组成
动物生物反应器由多个组成部分构成。
反应器本体
动物生物反应器的本体通常由生 物兼容性材料制成，具有特定的 体积和形状，用于存储和培养细 胞。
《生物反应器》PPT课件
酒精发酵罐的洗涤：喷射洗涤装置 酒精发酵罐的计算：
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 )
完整版课件ppt
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。
完整版课件ppt
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；
完整版课件ppt
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
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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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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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
转基因动物与动物生物反应器ppt课件
5
Gordon等首次成功地将含有HSV和SV40 DNA 片段的重组质粒DNA以显微注射法导入小鼠受精 卵的雄原核内，得到了带有这种外源DNA顺序小 鼠。
1982年，Palmiter等运用此法得到的所谓“超 级巨鼠”,曾引起整个生物学界的轰动。
到目前为止，人类已获得转基因鱼、鼠、羊、猪、 兔、牛等等大小动物。
4
动物所有细胞均整合有外源基因，则具有将外源 基因遗传给子代的能力，通常被称为转基因动物。
一般用胚胎干细胞法或逆转录病毒载体法制备的 第一代转基因动物均为嵌合体动物，而显微注射 法得到的第一代转基因动物中，也有20％为嵌合 体动物。
当外源基因在转基因动物体内表达，并培育出其 表型与人类疾病症状相似的动物模型，则称其为 转基因动物模型。
目前, 已经培育出了动脉粥样硬化、镰刀形红细胞 贫血症、痴呆症、自身免疫病、淋巴系统病、真 皮炎及前列腺癌等多种疾病的模型动物,为这类疾 病的研究提供了方便。
35
（3）动物品种改良
通过外源基因的导入，改造动物的基因组,可 达到使家畜、家禽的生长速度加快，肉、蛋或奶 产量及品质提高，饲料利用率提高、抗病力加强 的目的。 目前应用最广的是，通过此技术改变牛奶的品质 和成份。在我国已获得转人乳清白蛋白、人乳铁 蛋白等转基因牛奶，为我国的“人源化牛奶”产 业化定了重要的基础。
2
转基因动物（transgenic animal）的概念
指借助基因工程技术将外源基因导入受体动物染 色体内，外源基因与动物基因整合后，随细胞的 分裂而扩增，在体内表达，并能稳定的遗传给后 代的动物。
即指基因组中整合有外源基因的一类动物。 整入动物基因组的外源基因被称为转基因
(transgene)。
类具有较多的相似性。 因而猪在提供人类移植所用的器官方面成为
Gordon等首次成功地将含有HSV和SV40 DNA 片段的重组质粒DNA以显微注射法导入小鼠受精 卵的雄原核内，得到了带有这种外源DNA顺序小 鼠。
1982年，Palmiter等运用此法得到的所谓“超 级巨鼠”,曾引起整个生物学界的轰动。
到目前为止，人类已获得转基因鱼、鼠、羊、猪、 兔、牛等等大小动物。
4
动物所有细胞均整合有外源基因，则具有将外源 基因遗传给子代的能力，通常被称为转基因动物。
一般用胚胎干细胞法或逆转录病毒载体法制备的 第一代转基因动物均为嵌合体动物，而显微注射 法得到的第一代转基因动物中，也有20％为嵌合 体动物。
当外源基因在转基因动物体内表达，并培育出其 表型与人类疾病症状相似的动物模型，则称其为 转基因动物模型。
目前, 已经培育出了动脉粥样硬化、镰刀形红细胞 贫血症、痴呆症、自身免疫病、淋巴系统病、真 皮炎及前列腺癌等多种疾病的模型动物,为这类疾 病的研究提供了方便。
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（3）动物品种改良
通过外源基因的导入，改造动物的基因组,可 达到使家畜、家禽的生长速度加快，肉、蛋或奶 产量及品质提高，饲料利用率提高、抗病力加强 的目的。 目前应用最广的是，通过此技术改变牛奶的品质 和成份。在我国已获得转人乳清白蛋白、人乳铁 蛋白等转基因牛奶，为我国的“人源化牛奶”产 业化定了重要的基础。
2
转基因动物（transgenic animal）的概念
指借助基因工程技术将外源基因导入受体动物染 色体内，外源基因与动物基因整合后，随细胞的 分裂而扩增，在体内表达，并能稳定的遗传给后 代的动物。
即指基因组中整合有外源基因的一类动物。 整入动物基因组的外源基因被称为转基因
(transgene)。
类具有较多的相似性。 因而猪在提供人类移植所用的器官方面成为
动物细胞大规模培养和专用生物反应器
贴壁培养细 胞转瓶机
细胞转瓶培养器
转瓶培养系统：
为最初采用系统;一般用 于小量培养到大规模培养的过 渡阶段;或作为生物反应器接 种细胞准备的一条途径 细胞 接种在旋转的圆筒形培养器— —转瓶中;培养过程中转瓶不 断旋转;使细胞交替接触培养 液和空气;从而提供较好的传 质和传热条件
转瓶机
转瓶培养的优 缺点
优点：
结构简单;投资少;技术成 熟;重复性好;放大只需简 单的增加转瓶数量等
缺点：
劳动强度大;占地空间大;单位体 积提供细胞生长的表面积小;细 胞生长密度低;培养时监测和控 制环境条件受到限制
二 悬浮培养suspension culture
指细胞在反应器中自由悬浮生长的过 程 主要用于非贴壁依赖型细胞培养;如杂 交瘤细胞等;是在微生物发酵的基础上发 展起来的
通过植物组织培养的药物：奎宁 长春碱 洋地黄 紫 草素 人参皂甙等
1
大 规2 模 动 物3 细 胞 培 养4 工 艺 流5 程 图
6
8 7
9
10 细胞培养反应器
诱生剂
细胞
提取 纯化
产品肿瘤抗原
提取 纯化 产品干扰素
细胞
浓缩纯化
产品单克隆抗体
大规模培养动物细胞的方法：
• 贴壁培养 • 悬浮培养 • 固定化培养
一 贴壁培养attachment culture
细胞贴附在一定的固相表面进行的培养
1 生长特性：贴壁依赖型细胞在 培养时要贴附于培养瓶器皿壁上;细 胞一经贴壁就迅速铺展;然后开始有 丝分裂;并很快进入对数生长期 一般 数天后就铺满培养表面;并形成致密 的细胞单层
贴壁培养细 胞转瓶机
2 贴壁培养的优点：
2 连续式培养的特点： ●细胞维持持续指数增长；
动物细胞培养生物反应器及专用微载体PPT课件
第23页/共76页
2、限制细胞生长的因素：
• 动物细胞培养系统能达到的细胞密度较低的 主要原因是培养条件和最优化控制的困难， 包括：
▪ 细胞代谢产物的毒害：乳酸、氨等；
▪ 营养物的耗竭 ▪ 可利用的表面积的限制；
细胞凋亡
▪ 接种的细胞最小密度；
① 解决问题的方法是通过过程调控来实现：灌 注系统、换液、流加等，其中灌注是最好的 方法。同时采用合理的培养系统以增加表面 积并提供最佳的物理化学环境。
第48页/共76页
•
存在二种流加方式：
▪
无反馈控制流加：
▪
反馈控制流加：
① 最常见的流加物质：葡萄糖、谷氨酰胺等能源和碳源
第49页/共76页
三、半连续式操作（反复分批式、换液培养）： • 概念：在分批培养操作的基础上，不全部取出反应系，剩余部分重新补充新的
营养成分，再按分批式操作方式进行培养，反应器内培养液的总体积保持不变。 • 优点：可反复收获培养液，对培养基因工程动物细胞分泌有用产物或病毒培养
和细胞分布均匀，能长期运转
第58页/共76第59页/共76页
第60页/共76页
第61页/共76页
动物细胞反应器的控制
• 溶氧控制：针对动物培养的合适搅拌，加入 少量溶氧量大的不相溶溶济，改变通入气体的氮氧比； • pH控制：采用通入CO2/NaOH缓冲液系统来控制，可避免局部的极端pH出现； • 温度和搅拌转速的控制比较简单
第2页/共76页
动物细胞培养的意义
• 动物细胞培养对生产生物工程产品,特别是功能蛋白质方面具有明显的优势: 1)同源性: • 直接进行翻译后加工,蛋白质可直接折叠成正确的构象 • 翻译后修饰糖基化，与天然产品一致。 2)有利于产品的分离纯化:分泌胞外、纯化方便
2、限制细胞生长的因素：
• 动物细胞培养系统能达到的细胞密度较低的 主要原因是培养条件和最优化控制的困难， 包括：
▪ 细胞代谢产物的毒害：乳酸、氨等；
▪ 营养物的耗竭 ▪ 可利用的表面积的限制；
细胞凋亡
▪ 接种的细胞最小密度；
① 解决问题的方法是通过过程调控来实现：灌 注系统、换液、流加等，其中灌注是最好的 方法。同时采用合理的培养系统以增加表面 积并提供最佳的物理化学环境。
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•
存在二种流加方式：
▪
无反馈控制流加：
▪
反馈控制流加：
① 最常见的流加物质：葡萄糖、谷氨酰胺等能源和碳源
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三、半连续式操作（反复分批式、换液培养）： • 概念：在分批培养操作的基础上，不全部取出反应系，剩余部分重新补充新的
营养成分，再按分批式操作方式进行培养，反应器内培养液的总体积保持不变。 • 优点：可反复收获培养液，对培养基因工程动物细胞分泌有用产物或病毒培养
和细胞分布均匀，能长期运转
第58页/共76第59页/共76页
第60页/共76页
第61页/共76页
动物细胞反应器的控制
• 溶氧控制：针对动物培养的合适搅拌，加入 少量溶氧量大的不相溶溶济，改变通入气体的氮氧比； • pH控制：采用通入CO2/NaOH缓冲液系统来控制，可避免局部的极端pH出现； • 温度和搅拌转速的控制比较简单
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动物细胞培养的意义
• 动物细胞培养对生产生物工程产品,特别是功能蛋白质方面具有明显的优势: 1)同源性: • 直接进行翻译后加工,蛋白质可直接折叠成正确的构象 • 翻译后修饰糖基化，与天然产品一致。 2)有利于产品的分离纯化:分泌胞外、纯化方便
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
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(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。
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第二篇 生物反应设备
第四章 生物反应器
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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
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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。
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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
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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
乳腺生物反应器PPT课件
根据目的蛋白表 达部位的不同可
分为乳腺生物反 应器、血 液生物
反 应 器 、卵 生 物 反 应 器 、尿 生 物 反 应器、精 囊腺生物反应器、 唾液腺生物反应 器等。
2
乳腺生物反应器的原理及步骤
乳腺生物反应器的研究进展
乳腺生物反应器的优点及其应用
乳腺生物反应器的存在的问题
.
3
乳腺生物反应器的原理及步骤
1991年，Brem等报道乳腺表达牛凝乳酶的转基因兔，表达 水平达到1～10g/L。
1992年，Ve-lande：等报道了乳腺表达人C蛋白的转基因猪， 表达水平达到1g/L以上。
目前，从转基因动物乳汁中提取的抗人胰蛋白酶、抗凝血酶 Ⅲ和人C蛋白等基因工程产品已进入临床试验阶段，并已初 步形成以转基因动物乳腺为主. 要生产手段的医药产业。 7
国内研究进展
20世纪80年代初，施履吉院士就提出乳腺生物反应器的构 想 ，并成功获得表达乙肝病毒表面抗原的转基因兔 ，为 我国通过转基因动物的途径获得珍贵药物奠定了基础。
1995年，我国首次在小鼠乳腺中成功地表达了人的基因；
1996年10月上海医学遗传研究所与复旦大学合作研制成功的 能在乳腺中表达人凝血因子Ⅳ的转基因羊。
.
12
安全性
动物体内虽然可以对外源蛋白进行 翻译后修饰，但由于牛、羊等家畜存在自身机体 保护系统可对所有外源性物质产生排斥反应，如 出现蛋白质水解等问题。 此外乳汁中可能含有的 微生物及不完全修饰的多肽都对产品的安全性构 成了极大的威胁，所以在分离过程中要去除所有 可能引起人类变态反应的蛋白质，同时对含量低 的产物加以纯化，才能得到与目的蛋白结构、功 能和理化特性相同的产品。 另外，要防止把动物 性疾病传染给人。
药物其效率是利用以大肠杆菌和动物细胞培养 技术的100倍
分为乳腺生物反 应器、血 液生物
反 应 器 、卵 生 物 反 应 器 、尿 生 物 反 应器、精 囊腺生物反应器、 唾液腺生物反应 器等。
2
乳腺生物反应器的原理及步骤
乳腺生物反应器的研究进展
乳腺生物反应器的优点及其应用
乳腺生物反应器的存在的问题
.
3
乳腺生物反应器的原理及步骤
1991年，Brem等报道乳腺表达牛凝乳酶的转基因兔，表达 水平达到1～10g/L。
1992年，Ve-lande：等报道了乳腺表达人C蛋白的转基因猪， 表达水平达到1g/L以上。
目前，从转基因动物乳汁中提取的抗人胰蛋白酶、抗凝血酶 Ⅲ和人C蛋白等基因工程产品已进入临床试验阶段，并已初 步形成以转基因动物乳腺为主. 要生产手段的医药产业。 7
国内研究进展
20世纪80年代初，施履吉院士就提出乳腺生物反应器的构 想 ，并成功获得表达乙肝病毒表面抗原的转基因兔 ，为 我国通过转基因动物的途径获得珍贵药物奠定了基础。
1995年，我国首次在小鼠乳腺中成功地表达了人的基因；
1996年10月上海医学遗传研究所与复旦大学合作研制成功的 能在乳腺中表达人凝血因子Ⅳ的转基因羊。
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12
安全性
动物体内虽然可以对外源蛋白进行 翻译后修饰，但由于牛、羊等家畜存在自身机体 保护系统可对所有外源性物质产生排斥反应，如 出现蛋白质水解等问题。 此外乳汁中可能含有的 微生物及不完全修饰的多肽都对产品的安全性构 成了极大的威胁，所以在分离过程中要去除所有 可能引起人类变态反应的蛋白质，同时对含量低 的产物加以纯化，才能得到与目的蛋白结构、功 能和理化特性相同的产品。 另外，要防止把动物 性疾病传染给人。
药物其效率是利用以大肠杆菌和动物细胞培养 技术的100倍
第9章 转基因动物与生物反应器
利用鸡蛋生产重组药用蛋白。
优点：
鸡输卵管是一个自我封闭的系统，肝脏 合成蛋黄中的蛋白质和脂肪，并由血液 直接输入输卵管，避免大量表达的外源 性蛋白质对鸡健康造成的危害。
产量可观，且成本低廉。
产品的活性接近天然产品
本章结束
在显微镜下准确地插入受体细胞核中，并将 DNA注射进去。
3、裸DNA直接转移法：效率低。
显微操作系统
二、化学方法
1、DEAE-葡聚糖介导法：效率低
(乙二胺乙基葡聚糖)
DNA上的磷酸带负电
DEAE带正电
→ DNA大颗粒→ 细胞胞饮
2、磷酸钙-DNA共沉淀法：效率低(P254)
表面活性剂
3.脂质体介导法(P255)
转基因动物乳腺生物反应器的优越性： 产品质量稳定，活性高； 可持续大量地表达； 成本低，经济效益显著； 无污染； 药物分离纯化工艺简便，可获得纯度
高达99%的产品； 研制开发周期短。
转基因动物乳腺生物反应器存在的问题：
转基因在受体动物基因组中随机整合， 有些存在调节失控、遗传不稳定、表达 率不高等问题
第9章 转基因动物 第9章与生转物基反因应动器物
与生物反应器
9.1 转基因技术
通过人工操作的方式将外源基因整合到 生物体基因组内，使该转基因生物能稳定 地将此基因遗传给后代的实验技术。
细胞转染外源基因分三步：
(1)选择合适的受体细胞; (2)有效的转染方法； (3)转化后的筛选。
细胞转染外源基因的方法：
9.2.1 转基因动物的制备
一、步骤： •外源目的基因的制备； •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。
优点：
鸡输卵管是一个自我封闭的系统，肝脏 合成蛋黄中的蛋白质和脂肪，并由血液 直接输入输卵管，避免大量表达的外源 性蛋白质对鸡健康造成的危害。
产量可观，且成本低廉。
产品的活性接近天然产品
本章结束
在显微镜下准确地插入受体细胞核中，并将 DNA注射进去。
3、裸DNA直接转移法：效率低。
显微操作系统
二、化学方法
1、DEAE-葡聚糖介导法：效率低
(乙二胺乙基葡聚糖)
DNA上的磷酸带负电
DEAE带正电
→ DNA大颗粒→ 细胞胞饮
2、磷酸钙-DNA共沉淀法：效率低(P254)
表面活性剂
3.脂质体介导法(P255)
转基因动物乳腺生物反应器的优越性： 产品质量稳定，活性高； 可持续大量地表达； 成本低，经济效益显著； 无污染； 药物分离纯化工艺简便，可获得纯度
高达99%的产品； 研制开发周期短。
转基因动物乳腺生物反应器存在的问题：
转基因在受体动物基因组中随机整合， 有些存在调节失控、遗传不稳定、表达 率不高等问题
第9章 转基因动物 第9章与生转物基反因应动器物
与生物反应器
9.1 转基因技术
通过人工操作的方式将外源基因整合到 生物体基因组内，使该转基因生物能稳定 地将此基因遗传给后代的实验技术。
细胞转染外源基因分三步：
(1)选择合适的受体细胞; (2)有效的转染方法； (3)转化后的筛选。
细胞转染外源基因的方法：
9.2.1 转基因动物的制备
一、步骤： •外源目的基因的制备； •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。
《生物反应工程》课件
04
生物反应工程的应用实例
生物燃料的生产
生物燃料的生产是生物反应工程的重要应用之一。通过利用 微生物或酶，将植物油、废弃油脂、二氧化碳等转化为可再 生能源，如生物柴油和生物乙醇。
生物燃料的生产有助于减少对化石燃料的依赖，降低温室气 体排放，并促进可持续能源的发展。
生物塑料的生产
生物塑料是利用生物反应工程生产的 可降解塑料，具有环保、可持续的优 点。
农药的生产等。
生物反应工程的重要性
提高生产效率
通过优化生物反应过程， 可以提高生产效率，降低
生产成本。
保护环境
优化生物反应过程可以减 少废物的产生，降低对环
境的污染。
促进可持续发展
生物反应工程的进步有助 于推动可持续发展，促进 人类社会与自然环境的和
谐共生。
02
生物反应工程的基本原理
生物反应工程的基本原理
酶的生产和应用
酶是生物反应工程中的关键物质，具 有高效催化的特点。
通过微生物培养或酶的提取，可以生 产出各种酶，用于催化各种化学反应 ，如水解、酯化、氧化还原等。酶在 制药、化工、食品等领域有广泛应用 。
05
生物反应工程的未来发展
提高生物反应的效率
优化微生物菌种
通过基因工程技术对微生物菌种 进行改良，提高其代谢效率和产 物产量。
节能减排
研究节能减排技术，降低 生物反应过程中的能耗和 排放，减少对环境的负面 影响。
绿色生产
研究绿色生产技术，减少 对原材料和能源的消耗， 降低生产过程中的环境污 染，实现可持续发展。
谢谢您的聆听
THANKS
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动物生物反应器
（2）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。
（3）体外重组及检测
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。并将构建的表达载体转染至动物乳腺细胞中表 达，提取细胞分泌蛋白，检测目的基因表达情况。
乳腺动物反应器建立的关键在于： 乳腺组织特异性表达载体构建的合理性和有效 性，这包括外源基因在活体动物组织中分泌表达，
表达是否具有组织特异性，表达水平及其蛋白是
否具有全部的生物学活性。
为解决这些问题，国外采用的的方法：
• 采用BLG、WAP、酪蛋白启动子及部分内含子等乳腺定位
表达调控元件进行乳腺特异性表达的调控。
转基因动物乳腺生物反应器是目前国际上唯一证明可以达到商
业化生产水平的生物反应器。
• 动物就像一个活的发酵罐，其温度、气体、水分
和PH值均由动物自身调控，所以常被喻为药物工 厂、生物反应器、基因农场或分子农场。 • 动物生物反应器优点： ① 表达产物能充分被修饰且具有稳定的生物活性。 ② 产品成本低。可无限繁殖，且饲养成本低，可 大规模生产。 ③ 产品质量高，易提纯。由动物生物反应器生产 的药品为纯的生物制品，避免了化学试剂及生物 毒素的污染，安全可靠。 ④ 生物反应器目的基因对动物内部组织器官的干 扰和影响不大，一旦获得有高效表达的祖代个体， 其遗传性即可保证维持生产的低成本。
蛋白质或多肽等药物己取得了一定进展。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。
动物膀胱生物反应器
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。膀胱尿乳头顶端表面可表达一
组尿血小板溶素的膜蛋白,这种蛋白在膀胱中表达具有专一性, 而且它的基因是高度保守的,将外源基因插入5′端调控序列中, 就可以指导外源基因在尿中表达。
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治疗I型糖尿病 治疗爱滋 病 抗炎症 治疗血友病
牛
纤维蛋白原
伤口愈合
牛
胶原蛋白 I, II
牛
乳铁蛋白
牛
人血清白蛋白
组织修复, 治疗风湿性关节炎 治疗肠道感染, 感染性关节炎 维护血液体积
鸡, 牛, 山羊
单克隆抗体
用于疫苗生产
编辑ppt
9
• 生产基因工程疫苗。由于受基因工程载体 的容量限制，目前所生产的基因工程疫苗 都是以一小段病毒外壳蛋白或细菌膜蛋白 作为抗原，其免疫性不如灭活的全病毒或 细菌。如果使用乳房生物反应器，就可以 生产病毒的完整外壳蛋白，或细菌的免疫 决定蛋白质，其效果就会与常规疫苗相同。
• （以动物乳腺生物反应器为主）
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7
乳腺生物反应器的主要用途
• 生产多肽类药物。例如，胰岛素，干扰素， 促红细胞生长素等。据美国生物工程杂志 报道，在美国待批的多肽类药物已达100多 种，今后每年还会增加40多种。多肽类药 物已形成了相当大的市场。
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8
动物
多肽药物
用途
绵羊 绵羊 绵羊
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16
乳铁蛋白属于先天免疫系统的成分物质。 除了能够结合和运输铁离子的主要功能 外，乳铁蛋白还具有抗菌，抗病毒，抗 寄生虫，催化，防癌抗癌，抗过敏和辐 射防护的功能和属性。
乳铁蛋白还是最天然的抗氧化剂：具有强 烈氧化功能，有助清除体内自由基，对保 健及老化、血管硬化等功能性退化症有正 面效果。
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10
• 生产抗体。目前市场销售的抗体，因产量 很小，成本高，只能用于诊断。其实，如 果能够大量生产抗体，许多疾病就可以用 抗体治疗。用抗体治疗疾病应当比用抗生 素效果更好，因为可以真正做到对症下药， 而不必担心造成体内微生物失衡或因大量 使用抗生素而产生副作用。
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11
• 生产酶制剂。酶制剂分为两大类，一类是 用大量很大的工业用酶，如淀粉酶，糖化 酶等。工业用酶生产特点是需求量大且纯 度要求不高，很适合使用乳牛生产。另一 类酶是生命科学研究中使用的工具酶，每 克售价均百万元以上。如果用乳房生物反 应器生产，一头年产1000kg奶的乳用山羊， 可以生产足够全国使用的某一种工具酶。
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12
• 生产营养品。
• 1、首先可以生产的一个产品是无乳糖奶。 中国人中不能或难以消化乳糖的人的比例 较高，如果能把乳糖酶基因导入奶牛体内， 就可以生产无乳糖奶牛，不仅甜度增加， 也解决了一部分人不能大量饮用牛奶的问 题。
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13
• 2、在牛奶中增加人的转铁蛋白。国外研究 证明，转铁蛋白有良好的营养保健功能， 它能够杀死大部分有害的肠胃细菌，但对 有益细菌如双歧杆菌起促进作用。
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3ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
动物乳腺生物反应器
• 乳腺是一个外分泌器官，乳汁不进入体内 循环，因此不会影响到转基因动物本身的 生理代谢反应。
• 从转基因乳汁中获取目的基因产物，不但 产量高、易提纯，而且表达的蛋白经过充 分的修饰加工，具有稳定的生物活性。
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4
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5
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6
动物生物反应器的应用
动物生物反应器
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1
基因工程药物的诞生。
• 1982年美国Lilly公司首先将重组胰岛素投放 市场，标志着世界第一个基因工程药物的 诞生。
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2
乳腺生物反应器的诞生
• 1987年美国科学家戈登（Gordon）等人首 次在小鼠的奶中生产出一种医用蛋白 ──tPA（组织型纤溶酶原激活物），展示 了用动物乳腺生产高附加值产品的可能性。 建立了第一个乳腺生物反应器模型。
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17
• 3、生产人牛混合奶。人奶对人是最佳的营 养品。分离出人奶蛋白基因并把它转移到 奶牛中，牛奶中就会有30%~50%人奶的成 分。
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18
经济效益
• 组织纤溶酶原激活剂(TPA)：由美国遗传技 术公司(Genentech) 用基因重组技术开发 的血栓溶解剂，1987 年11 月经联邦食品 及药物管理局(FDA)批准上市。1988 年的 销售额为1.5 ～ 1.6 亿美元，1989年为 1.8 ～ 1.9 亿美元。今后每年的市场销售额 约为2 ～ 2.5 亿美元。
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14
• 转铁蛋白（transferrin，TRF， siderophilin）是血浆中主要的含铁蛋白 质，负责运载由消化管吸收的铁和由红 细胞降解释放的铁。以TRF-Fe3+的复合 物形式进入骨髓中，供成熟红细胞的生 成。
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15
导入人乳铁蛋白转基因的克隆奶牛 2005年初在唐山降生
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23
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24
a1抗胰蛋白酶蛋白 CFTR 组织型纤溶酶原活化因子
治疗气肿 治疗 囊肿性纤维化 治疗血栓
绵羊
凝血VIII因子、IX因子
治疗血友病
绵羊
纤维蛋白原
伤口愈合
猪
组织型纤溶酶原活化因子
治疗血栓
猪
凝血VIII因子、IX因子
治疗血友病
山羊
人蛋白质 C
治疗血栓
山羊
抗血栓因子 3
治疗血栓
山羊 山羊 牛 牛
谷氨酸脱羧酶 Pro542 a-乳清白蛋白 凝血VIII因子
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19
• 英国罗斯林研究所研制成功的转基 因羊乳汁中含有α1-抗胰蛋白酶， 它可以治疗肺气肿。每升这样的羊 奶可售6000美元。
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20
• 荷兰的GenPharm公司用转基因 牛生产乳铁蛋白，预计每年从牛 奶生产出来营养奶粉的销售额是 50亿美元。
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21
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22
• 视频《动物与动物生物反应器》