《植物生物反应器》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
《生物反应器》课件
。
新药研发中的应用实例
01
药物筛选
利用生物反应器进行药物筛选， 寻找具有药效的化合物或微生物 。
药物合成
02
03
药物改造
通过生物反应器合成药物，如蛋 白质、多糖等，提高药物的生产 效率和纯度。
利用生物反应器对药物进行改造 ，如蛋白质工程、基因工程等， 提高药物的疗效和安全性。
05
生物反应器的发展趋势与挑战
生产成本
生物反应器的生产成本较高，需要采取有效措施降低成本，提高经济 效益。
人才短缺
生物反应器技术的发展需要大量的专业人才和技术工人，但目前市场 上相关人才短缺，制约了产业的发展。
生物反应器的未来展望
广泛应用
随着生物技术的不断发展和 应用领域的扩大，生物反应 器将在医药、食品、化工等 领域得到更广泛的应用。
生物反应器应能高效地进行生物反应，确保 高转化率和产物浓度。
适应性原则
生物反应器应能适应不同的生物反应需求， 具备灵活性和可扩展性。
稳定性原则
生物反应器应具备稳定的操作性能，保证反 应的连续性和可靠性。
易于维护原则
生物反应器应便于清洁、维修和保养，降低 运营成本。
生物反应器的优化目标
提高转化率
通过优化反应条件和操作参数，提高生物反 应的效率。
THANKS
感谢观看
01
温度
维持适宜的温度，保证微生物的正 常生长和代谢。
溶解氧
维持适宜的溶解氧浓度，以满足微 生物的需氧需求。
03
02
pH值
维持适宜的pH值，保证微生物的正 常生长和代谢。
底物浓度
控制底物浓度，以调节微生物的生 长和产物生成。
04
生物反应器的效率评估
《生物反应器》幻灯片
〔7〕反响器应始终保持正压以排除渗 漏；
〔8〕为了便于清洗，反响器主体应尽 量简单。
生物反响器的类型:
微生物有厌氧和好氧两大类，培养这 两大类微生物的发酵设备有很大的区 别。
根据发酵类型和设备特点，反响器根 本上可以分成两类：厌氧和好氧发酵 设备。
设备因不需供氧，所以设备和工 艺都较好氧发酵简单。
1.槽体 2.冷却水管 3.出酒阀
前发酵槽的计算：
〔1〕发酵槽数目确实定
N=n t
n——每日糖化次数；
t ——前发酵时间。
〔2〕前发酵槽体积确实定
V=ZV0/φ (m3)
V0 ——糖化一次麦汁量，m3 ；
Z ——容纳一次麦汁量的整倍数；
φ——装液系数，取0.8～0.85。
〔3〕前发酵槽冷却面积计算
《生物反应器》幻灯片
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〔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，应采用全部焊接构造，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；
连续发酵时间确实定：
t＝[2．303／μ] × ㏒ρ0／ρ
μ——生长速率
ρ0 、ρ——发酵开场、发酵时
间t后的发酵 基质液浓度
两罐连续发酵串联物料平衡图：图1-3-15
连续发酵流程：
〔一〕酒精连续发酵流程 图1-3-17 图1-3-18 〔二〕啤酒连续发酵流程 图1-3-19 〔塔式〕 图1-3-22〔多罐式〕
动物细胞培养方法： 1、贴壁培养——成纤维细胞和上皮细胞等
贴壁依赖性细胞在培养中要贴附于壁上，迅 速铺展，有丝分裂，很快进入对数生长期。 2、悬浮培养——在培养器中细胞自由悬浮 生长的过程。主要用于非贴壁依赖性细胞培 养。 3、固定化培养——包埋培养对两类细胞都 适应，细胞生长密度高，抗剪切力和抗污染 能力强。
植物生物反应器PPT课件
养基表面铺一张无菌滤纸。 4）抗性愈伤组织的筛选 共培养2-3 d后，再把愈伤组织块移到筛选培养基上，2周继代一次，继代2次。 5）预分化（水稻） 挑选直径1-2 mm生长良好、结构致密的抗性愈伤组织转移入预分化培养基中，
25℃，12 h光照培养，预分化时间一般为2周。 6）分化及再生培养 将预分化后的抗性愈伤组织转移至分化培养基上进行分化培养，待再生出小苗，
-
24
筛选培养基上抗性苗的产生
A
B
A、水稻抗性苗 ：抗性愈伤在筛选培养基中长大至直径为5 mm时移至预分化培养基中， 一周后可以看到愈伤上有绿点产生。抗性愈伤于预分化培养基培养2周后移至分化培养 基中，在分化培养基中二周后，每个愈伤长出1～4棵小苗
B、胡萝卜抗性苗 ：抗性愈伤转至新的筛选培养基中继续培养，待抗性愈伤长大至直
荡32 h，吸取150 μL农杆菌液涂LB（含Kan 50 μg/mL）平板，28℃培养2-3 d。 2）农杆菌感染愈伤组织块 将培养了2-3天的农杆菌用共培养液体培养基悬浮，将愈伤组织浸泡在菌液中，并
在菌液中加入AS至浓度为100μM。于摇床中缓慢摇动15 min。 3）农杆菌与愈伤组织块共培养 将愈伤组织块从菌液中取出，置于无菌滤纸上吸干，而后移入共培养基中，在培
2）外显子2、3的获得
外显子2：2号引物： 5’-GAAGAATAATTACAATATCATGGAAATCA-3’ 3号引物： 5’-TGCATTCTTTCTTTGCATAGAGTTT-3’
外显子3：4号引物5’-CTATGCAAAGAAAGAATGCAATGAA-3’ 3’(3)引物 5’-GAATTCTTAAGTTATTGCCATAGGAAG-3’
（2）KGF基因编码一有194 个氨基酸的蛋白质。基因含 有三个外显子和两个内含子。
25℃，12 h光照培养，预分化时间一般为2周。 6）分化及再生培养 将预分化后的抗性愈伤组织转移至分化培养基上进行分化培养，待再生出小苗，
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筛选培养基上抗性苗的产生
A
B
A、水稻抗性苗 ：抗性愈伤在筛选培养基中长大至直径为5 mm时移至预分化培养基中， 一周后可以看到愈伤上有绿点产生。抗性愈伤于预分化培养基培养2周后移至分化培养 基中，在分化培养基中二周后，每个愈伤长出1～4棵小苗
B、胡萝卜抗性苗 ：抗性愈伤转至新的筛选培养基中继续培养，待抗性愈伤长大至直
荡32 h，吸取150 μL农杆菌液涂LB（含Kan 50 μg/mL）平板，28℃培养2-3 d。 2）农杆菌感染愈伤组织块 将培养了2-3天的农杆菌用共培养液体培养基悬浮，将愈伤组织浸泡在菌液中，并
在菌液中加入AS至浓度为100μM。于摇床中缓慢摇动15 min。 3）农杆菌与愈伤组织块共培养 将愈伤组织块从菌液中取出，置于无菌滤纸上吸干，而后移入共培养基中，在培
2）外显子2、3的获得
外显子2：2号引物： 5’-GAAGAATAATTACAATATCATGGAAATCA-3’ 3号引物： 5’-TGCATTCTTTCTTTGCATAGAGTTT-3’
外显子3：4号引物5’-CTATGCAAAGAAAGAATGCAATGAA-3’ 3’(3)引物 5’-GAATTCTTAAGTTATTGCCATAGGAAG-3’
（2）KGF基因编码一有194 个氨基酸的蛋白质。基因含 有三个外显子和两个内含子。
《生物反应器》课件
《生物反应器》PPT课件
通过本课件，我们将深入探讨生物反应器的全貌。从定义，分类，结构和原 理，应用领域，优点和挑战，以及未来的发展趋势，让我们一起探索这个令 人着迷的领域。
什么是生物反应器？
生物反应器是一种用于控制和维持特定生物反应过程的装置。它提供了理想的环境条件，以促进 生物反应的进行。
1 定义
生物制药
环境修复
生物反应器在生产生物药物和医 疗相关产品方面发挥着重要作用。
通过利用生物反应器来处理和净 化废水和废气等环境污染物。
生物燃料
生物反应器可用于生产可再生能 源，如生物柴油和生物乙醇。
生物反应器的优点和挑战
优点
生物反应器具有高效、环保、可控性强等优点， 适用于多种生物反应过程。
挑战
生物反应器的设计和操作需要专业知识和精细 调控，同时面临成本和规模扩展的挑战。
生物反应器是指能够维持生物反应过程的操作设备。
2 分类
根据反应器操作方式和反应类型，生物反应器可以分为不同的类别。
生物反应器的结构和原理
结构
生物反应器通常由反应容器、搅拌装置、进出料口 和传感器等组成。
原理
生物反应器的原理基于对生物过程中必要因素的控 制，如温度、氧气供应、营养物质和pH值。
生物反应器的应用领域
生物反应器的发展趋势
1
自动化与智能化
生物反应器将趋向自动化操作，并结合人工智能技术实现更智能的反应器将更加注重资源的有效利用和环境的可持续性。
3
多功能和定制化
生物反应器将能够满足不同反应过程的需求，实现定制化设计。
总结和展望
生物反应器作为一种核心技术，将不断推动生物科学和工程的进步。我们期 待未来的创新和发展，以应对全球的挑战。
通过本课件，我们将深入探讨生物反应器的全貌。从定义，分类，结构和原 理，应用领域，优点和挑战，以及未来的发展趋势，让我们一起探索这个令 人着迷的领域。
什么是生物反应器？
生物反应器是一种用于控制和维持特定生物反应过程的装置。它提供了理想的环境条件，以促进 生物反应的进行。
1 定义
生物制药
环境修复
生物反应器在生产生物药物和医 疗相关产品方面发挥着重要作用。
通过利用生物反应器来处理和净 化废水和废气等环境污染物。
生物燃料
生物反应器可用于生产可再生能 源，如生物柴油和生物乙醇。
生物反应器的优点和挑战
优点
生物反应器具有高效、环保、可控性强等优点， 适用于多种生物反应过程。
挑战
生物反应器的设计和操作需要专业知识和精细 调控，同时面临成本和规模扩展的挑战。
生物反应器是指能够维持生物反应过程的操作设备。
2 分类
根据反应器操作方式和反应类型，生物反应器可以分为不同的类别。
生物反应器的结构和原理
结构
生物反应器通常由反应容器、搅拌装置、进出料口 和传感器等组成。
原理
生物反应器的原理基于对生物过程中必要因素的控 制，如温度、氧气供应、营养物质和pH值。
生物反应器的应用领域
生物反应器的发展趋势
1
自动化与智能化
生物反应器将趋向自动化操作，并结合人工智能技术实现更智能的反应器将更加注重资源的有效利用和环境的可持续性。
3
多功能和定制化
生物反应器将能够满足不同反应过程的需求，实现定制化设计。
总结和展望
生物反应器作为一种核心技术，将不断推动生物科学和工程的进步。我们期 待未来的创新和发展，以应对全球的挑战。
《生物反应器》课件 (2)
废水处理
沼气生产
利用微生物降解有机物，净化废水并减少环境污染。 利用微生物降解有机废弃物，产生可再生能源。
生物反应器：优势和限制
优势
高产量、高效率、可控性、可重复性，对环境友 好。
限制
设备成本高，操作要求严格，底物成本可能较高， 对操作人员的技能要求较高。
生物反应器：设计和操作要点
1 良好的混合和气体传 2 适宜的生物体生长条 3 有效的废物处理
2
调节温度、pH、氧气和搅拌速度等因素，
以优化生物过程。
3
供应营养物质
提供适宜的底物和营养物质，满足生物 体的需求。
收集和分离产物
通过不同的分离技术，将产物分离和纯 化，以获得高纯度的产品。
常见的生物反应器应用
发酵
生物制药
用于生产酒精、乳酸、酢酸等发酵产品的工业过程。
用于生产蛋白质药物、疫苗等生物制药产品的大规 模生产。
递
件
及时处理和回收废物，减
确保生物体充分接触底物
控制温度、pH、营养物质
少对环境的负面影响。
和气体，提高反应效率。
浓度等因素，以最大程度
地促进生物体的生长和产
物生成。
生物反应器的未来发展前景
1
提高反应器率和质量。
2
发展可持续的生物反应器
探索使用可再生能源和生物降解材料制造反应器，减少对环境的影响。
3
应用生物反应器于生物医学领域
利用生物反应器进行组织工程、药物筛选和生物治疗等领域的研究和应用。
《生物反应器》PPT课件 (2)
这份课件将带你深入了解生物反应器，包括其定义和功能，不同种类和结构， 工作原理以及常见的应用。我们还会探讨生物反应器的优势和限制，并介绍 设计和操作的要点，以及生物反应器未来的发展前景。
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。
《植物生物反应器》课件
产品分离和纯化的问题
细胞破碎
为了从植物细胞培养物中分离和纯化 产品，通常需要破碎细胞壁。这可以 通过物理、化学或酶法等方法实现， 但这些方法可能会影响产品的质量和 纯度。
杂质的去除
在分离和纯化过程中，需要有效地去 除杂质，以确保产品的纯度和质量。 这可以通过使用各种分离技术和层析 方法来实现。
PART 05
基因工程原理的应用
基因工程原理的重要性
基因工程原理是实现植物生物反应器 技术的关键，它使得我们能够精确地 控制植物细胞的生产过程，提高产品 的产量和质量。
在植物生物反应器中，基因工程原理 被用于将外源基因导入植物细胞，以 生产所需的蛋白质或代谢产物。
植物细胞培养技术
植物细胞培养定义
植物细胞培养是指将植物细胞从植物组织中分离出来，并 在适宜的条件下进行培养，使细胞能够生长和增殖的技术 。
操作流程概述
植物生物反应器的操作流程包括外源基因的导入、植物细胞的增殖、目标产物的表达和提取等步骤。
具体操作流程
首先，将外源基因导入植物细胞；然后，在适宜的条件下培养植物细胞，使细胞增殖；接着，通过调控培养条件，诱 导目标产物的表达；最后，提取目标产物并进行相关检测和鉴定。
操作流程的重要性
植物生物反应器的操作流程是实现目标产物生产的关键环节，它涉及到多个技术环节的协调和优化，对 于提高产品的产量和质量至关重要。同时，操作流程的规范化和标准化也是保证生产过程安全和可控的 重要保障。
2023 WORK SUMMARY
《植物生物反应器》 ppt课件
REPORTING
目录
• 植物生物反应器概述 • 植物生物反应器的应用 • 植物生物反应器的技术原理 • 植物生物反应器的挑战与解决方案 • 植物生物反应器的未来展望
植物生物反应器
(5)安全性好,不需要注射器和头之类 的设备,避免了某些血液传播疾病;
(6)到目前为止还没有植物病原物感染 人类或动物的报道,因此植物生物反应 器避免了人或动物潜在病原物的污染;
(7)易贮存和分发,不需要冷藏设备,适于 大范围给药
2.2与人工栽培相比较,这种生产方式 具有独特的优点:
(1)节约自然资源,减少对土地资源的 占用,同时不受地区、季节、气候等 自然条件的影响;
4.研究进展
4.1利用转基因植物生产抗体
4.2利用转基因植物生产疫苗
4.3利用转基因植物生产其他药用蛋白
4.1 利用转基因植物生产抗体
将编码全抗体或抗体片段的基因导 入植物，在植物中表达出具有功能 性识别抗原及结合特性的全抗体或 部分抗体片段称之为植物抗体．
美国生物学家 Hiatt 1989 年从小 鼠中克隆 IgG 的重链和轻链基因导 入烟草，有性杂交得到 F1 抗体，即 成功组装的功能性抗体，就此开创 了植物抗体的先河
2.1 植物生物反应器特点
以生物学生产要求很高的疫苗为例, (1)技术成熟,成本低廉,使用方便,易推广; (2)植物具有完整的真核细胞表达系统,
能准确地进行翻译后加工; (3)无须提取纯化过程,可直接食用免疫;
(4)比传统的免疫途径更有效,植物细胞 中的疫苗抗原通过胃内的酸性环境时 可受到细胞壁的保护,直接到达肠内黏 膜诱导部位,刺激黏膜和全身免疫反应;
1.定义
广义上是指以悬浮培养的细胞或植株为工厂 大量生产具有重要药用价值的蛋白． 悬浮培 养用的细胞或植株，可以是天然的植物细胞、 组织和植株，也可以是经基因工程改良的植 物细胞、组织和植株，还可以是转入了带有 目的基因植物表达载体的转基因植物
狭义上是指以转基因的整株植物为工厂大量 生产各种高价值的生物制品
《生物反应器》PPT课件 (2)
精选PPT
40
（1E-1）
(1) 菌体均衡生长，用单一参数生物量 来描述菌体生长。
(2) 发酵中菌体呈丝状，浓度较大，最 高达40g/L，因此采用contois方程来关 联比生长速率，即:
（1E-1）
精选PPT
41
(3) 在发酵过程中菌丝缠绕成球，菌球 直径为50一300µm，球内基质浓度受到 扩散阻碍，因此用基质的有效浓度来代替
一是全混式，即反应器内各点浓度及其它条件均一；
二是活塞流式，即反应器内物质沿一定方向流动，完全 没有反向混合。讨论反应动力学时常常假定生物反应 是在全混的状态下进行的。而实际反应装置因其流动 特点常常介于上述两种理想流动之间，讨论及计算比 较复杂。
精选PPT
14
生物反应过程的核心问题是细胞的生长
细胞的生长(繁殖)、代谢是一个复杂的 生物化学过程，既包括有各种细胞内的生 化反应、胞内与胞外的物质交换，也包含 有胞外的物质传递及生化反应。与一般化 学工程不同，这个反应体系的特点是多相、 多组分、非线性的体系。多相指的是体系 内常含有气相、液相以及菌体(固)相，而 各相状态及物理性质不同，相内的反应及 传递各有特点，相间还有复杂的相互作用。
发酵液中浓度，即：
s＝S－KixΒιβλιοθήκη (1E一2)精选PPT
42
(4) 青霉素的合成受到糖的非竞争性抑制 作用。
(5) 在合适的条件下氮源、溶氧均不是限 制性基质。
基于上述假设(亦即物理模型)可以建立数 学模型。
(1E－3)
精选PPT
43
上式中V表示发酵的体积，因此各式中最后一项表示由 于流加物料导致体积变化而引起的各组分的“稀释”作
上述3种模型在实际过程分析中应用较少， 本章不作详细讨论。
《植物细胞 组织 培养反应器》PPT课件
✓ 光生物反应器
Special lecture notes
植物细胞培养反应器
➢ 固定化细胞生物反应器
✓ 填充床反应器
✓ 流化床反应器
→ 出口
↑
进口
Special lecture notes
植物细胞培养反应器
✓ 流化床反应器
Special lecture notes
植物细胞培养反应器
✓ 流化床反应器
替代者
供货商的品牌或价格特色；
供地货位商 ；的 供战货略商中之本间企的业关的系；供应商
从供货商之间转移的成本
竞争者
新进 入者
客户
本企业的部件或原材 料产品占买方成本的 比例；各买方之间是 否有联合的危险；本 企业与买方是否具有 战略合作关系
进入本行业有哪些壁垒？它们阻 碍新进入者的作用有多大？本企 业怎样确定自己的地位（自己进 入或者阻止对手进入）？
✓ 浅层循环式植株快速繁殖器
✓ 双层板径向流生物反应器
Special lecture notes
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
植物细胞培养的应用Special lecture notes
➢ 植物细胞的生产
✓ 西洋参细胞培养
乙醇消毒
诱导培养
悬浮培养
大量培养
➢ 悬浮培养生物反应器
✓ 机械搅拌式反应器
Stirred Tank Bioreactors
优点： 混合性能好 传氧效率高 操作弹性大 可用于细胞高密度培养；
缺点：剪切力大。
植物细胞培养反应器Special lecture notes
✓ 机械搅拌式反应器
Special lecture notes
植物细胞培养反应器
➢ 固定化细胞生物反应器
✓ 填充床反应器
✓ 流化床反应器
→ 出口
↑
进口
Special lecture notes
植物细胞培养反应器
✓ 流化床反应器
Special lecture notes
植物细胞培养反应器
✓ 流化床反应器
替代者
供货商的品牌或价格特色；
供地货位商 ；的 供战货略商中之本间企的业关的系；供应商
从供货商之间转移的成本
竞争者
新进 入者
客户
本企业的部件或原材 料产品占买方成本的 比例；各买方之间是 否有联合的危险；本 企业与买方是否具有 战略合作关系
进入本行业有哪些壁垒？它们阻 碍新进入者的作用有多大？本企 业怎样确定自己的地位（自己进 入或者阻止对手进入）？
✓ 浅层循环式植株快速繁殖器
✓ 双层板径向流生物反应器
Special lecture notes
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
植物细胞培养的应用Special lecture notes
➢ 植物细胞的生产
✓ 西洋参细胞培养
乙醇消毒
诱导培养
悬浮培养
大量培养
➢ 悬浮培养生物反应器
✓ 机械搅拌式反应器
Stirred Tank Bioreactors
优点： 混合性能好 传氧效率高 操作弹性大 可用于细胞高密度培养；
缺点：剪切力大。
植物细胞培养反应器Special lecture notes
✓ 机械搅拌式反应器
6-农业生物反应器 PPT课件
动物蛋清→ →外源蛋白。
利用鸡蛋生产重组蛋白的研究正在开展。 鸡的成熟期短，饲养管理简单；250枚/年， 成本低廉；蛋清蛋黄分离，提取简单。 转禽类白血病病毒的外壳蛋白基因的转基 因鸡。
2018/9/10
14
第三节
植物生物反应器
植物具有易于生长；管理粗放；技术要求 低的特点。 总费用更为低廉。 主要目的：生产具有商业价值的蛋白质及 具有特殊化学性质的物质。 美国，植物基因药物90亿美元/年。
2018/9/10
9
2、血液生物反应器
动物血液→ →外源蛋白。
优点：①血液可再生； ②采血较容易； ③无须杀死动物。 肝脏→→外源蛋白质→→血液。 缺点：①采血量受限制； ②某些外源蛋白质进入血液会影响 动物的健康。
2018/9/10 10
应用优势
转基因动物→ →人血红蛋白 解决血液来源问题； 避免血液途径的疾病感染。
2018/9/10
19
4、生产甘露醇的烟草
大肠杆菌的甘露醇-1-磷酸脱氢酶基因，转 入烟草，甘露醇含量6µmol/g。
海藻糖，食品鲜味添加剂。 酵母提取，成本每公斤200美元。Mogen 公司和Calgene公司正在尝试在转基因 植物中生产海藻糖。
2018/9/10 20
二、生产生物降解塑料的原料
2018/9/10 3
生物反应器评价
各系统都有其特定的优势和劣势。 原核生物和植物：基因改造容易、成本低，繁 殖速度快。但所生产的蛋白生物活性不完善。 昆虫生物反应器：产量往往不高。 转基因动物：生产的蛋白具有生物活性，且纯 化简单、投资少、成本低，对环境没有污染。 但获得较困难。 最有前途的生产系统还是转基因动物。
循环系统障碍药 5～25（全世界）
利用鸡蛋生产重组蛋白的研究正在开展。 鸡的成熟期短，饲养管理简单；250枚/年， 成本低廉；蛋清蛋黄分离，提取简单。 转禽类白血病病毒的外壳蛋白基因的转基 因鸡。
2018/9/10
14
第三节
植物生物反应器
植物具有易于生长；管理粗放；技术要求 低的特点。 总费用更为低廉。 主要目的：生产具有商业价值的蛋白质及 具有特殊化学性质的物质。 美国，植物基因药物90亿美元/年。
2018/9/10
9
2、血液生物反应器
动物血液→ →外源蛋白。
优点：①血液可再生； ②采血较容易； ③无须杀死动物。 肝脏→→外源蛋白质→→血液。 缺点：①采血量受限制； ②某些外源蛋白质进入血液会影响 动物的健康。
2018/9/10 10
应用优势
转基因动物→ →人血红蛋白 解决血液来源问题； 避免血液途径的疾病感染。
2018/9/10
19
4、生产甘露醇的烟草
大肠杆菌的甘露醇-1-磷酸脱氢酶基因，转 入烟草，甘露醇含量6µmol/g。
海藻糖，食品鲜味添加剂。 酵母提取，成本每公斤200美元。Mogen 公司和Calgene公司正在尝试在转基因 植物中生产海藻糖。
2018/9/10 20
二、生产生物降解塑料的原料
2018/9/10 3
生物反应器评价
各系统都有其特定的优势和劣势。 原核生物和植物：基因改造容易、成本低，繁 殖速度快。但所生产的蛋白生物活性不完善。 昆虫生物反应器：产量往往不高。 转基因动物：生产的蛋白具有生物活性，且纯 化简单、投资少、成本低，对环境没有污染。 但获得较困难。 最有前途的生产系统还是转基因动物。
循环系统障碍药 5～25（全世界）
(推荐)《植物生物反应器》PPT课件
• 目前利用植物作为生物反应器生产口服疫苗，极 大降低了疫苗的生产成本，并且研究表明植物疫 苗确实可以使人和动物产生相应的免疫应答，因 此这一新技术将有助于疫苗的普及从而改善发展 中国家人民的健康状况。
27
•转基因植物疫苗是把植物基因工程技术与机 体免疫机理相结合,生产出能使机体获得特异 抗病能力的疫苗。
17
• Ma等（1995）将鼠的单克隆抗体的J链、 杂合的IgA-G重链、鼠的J链和兔的SC链、 分别转化烟草，获得4个转基因株系，经后 代连续的有性杂交，得到同时表达4个蛋白 质链的转基因植株，这4种蛋白质链能组装 成一个有功能的分泌型免疫球蛋白。
18
• McCormick等（1999）利用烟草花叶病毒(TMV) 为载体在烟草中瞬时表达了一种肿瘤起源的scFv， 该抗体是淋巴瘤特异的疫苗，经过这种疫苗免疫 的小鼠能够产生10Lg/ml以上的抗独特性抗体，能 够抵制致死剂量的肿瘤。
10
1.2.3 植物具有完整的真核细胞表达系统
• 表达产物能进行正确的折叠装配，及糖基 化、磷酸化、酰胺化，从而具有与高等动 物细胞表达的产物基本一致的免疫原性和 生物活性。
11
1.2.4 植物生物反应器的表达产物具有无毒 性和副作用,安全可靠,无残存DNA和潜在致病 致癌性
• 用动物细胞作为生物反应器,则有可能因 为动物本身携带的致病原而对人的健康 造成威胁。
12
• 由于植物具有上述优势,所以分子农业的设 想在20世纪80年代末一经提出,就成为转基 因植物领域的研究热点。
• 目前,在植物生物反应器上已取得一定成绩, 这主要表现在3个方面：
➢一是在植物中表达抗体 ➢二是利用植物生产疫苗 ➢三是利用植物生产其他药用蛋白。
13
第2节 植物生物反应器应用研究
27
•转基因植物疫苗是把植物基因工程技术与机 体免疫机理相结合,生产出能使机体获得特异 抗病能力的疫苗。
17
• Ma等（1995）将鼠的单克隆抗体的J链、 杂合的IgA-G重链、鼠的J链和兔的SC链、 分别转化烟草，获得4个转基因株系，经后 代连续的有性杂交，得到同时表达4个蛋白 质链的转基因植株，这4种蛋白质链能组装 成一个有功能的分泌型免疫球蛋白。
18
• McCormick等（1999）利用烟草花叶病毒(TMV) 为载体在烟草中瞬时表达了一种肿瘤起源的scFv， 该抗体是淋巴瘤特异的疫苗，经过这种疫苗免疫 的小鼠能够产生10Lg/ml以上的抗独特性抗体，能 够抵制致死剂量的肿瘤。
10
1.2.3 植物具有完整的真核细胞表达系统
• 表达产物能进行正确的折叠装配，及糖基 化、磷酸化、酰胺化，从而具有与高等动 物细胞表达的产物基本一致的免疫原性和 生物活性。
11
1.2.4 植物生物反应器的表达产物具有无毒 性和副作用,安全可靠,无残存DNA和潜在致病 致癌性
• 用动物细胞作为生物反应器,则有可能因 为动物本身携带的致病原而对人的健康 造成威胁。
12
• 由于植物具有上述优势,所以分子农业的设 想在20世纪80年代末一经提出,就成为转基 因植物领域的研究热点。
• 目前,在植物生物反应器上已取得一定成绩, 这主要表现在3个方面：
➢一是在植物中表达抗体 ➢二是利用植物生产疫苗 ➢三是利用植物生产其他药用蛋白。
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第2节 植物生物反应器应用研究
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• Ma等（1995）将鼠的单克隆抗体的J链、杂合的IgA-G重链、鼠的J链和兔的SC链、分 别转化烟草，获得4个转基因株系，经后代连续的有性杂交，得到同时表达4个蛋白质 链的转基因植株，这4种蛋白质链能组装成一个有功能的分泌型免疫球蛋白。
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• McCormick等（1999）利用烟草花叶病毒(TMV) 为载体在烟草中瞬时表达了一种肿瘤起源的scFv， 该抗体是淋巴瘤特异的疫苗，经过这种疫苗免疫 的小鼠能够产生10Lg/ml以上的抗独特性抗体， 能够抵制致死剂量的肿瘤。
13
第2节 植物生物反应器应用研究
2.1 植物抗体 2.2 口服疫苗 2.3 其他药用蛋白
14
2.1 植物抗体
• 抗体(antibody)是动物体液中的一系列球蛋白,称为免疫球蛋白(immunoglobulin，Ig)。 它们可介导动物的体液免疫反应。
• 将编码全抗体或抗体片段的基因导入植物,在植物中表达出具有功能性识别抗原及结 合特性的全抗体或部分抗体片段即植物抗体。
• 用动物细胞作为生物反应器,则有可能因为动物本身携带的致病原而对人的健康 造成威胁。
12
• 由于植物具有上述优势,所以分子农业的设想在20世纪80年代末一经提出,就成为转基因 植物领域的研究热点。
• 目前,在植物生物反应器上已取得一定成绩,这主要表现在3个方面： • 一是在植物中表达抗体 • 二是利用植物生产疫苗 • 三是利用植物生产其他药用蛋白。
• 利用动物、植物本身作为反应器。
3
• 近年来，转基因植物作为生物反应器来表达外源 蛋白(包括疫苗、抗体、药用蛋白)，即所谓的“分 子农业(molecular farming)”已成为植物基因工程 领域内一个研究的生长点，具有极大的市场前景 和商业价值。
• 目前，已用于生物反应器的植物有烟草、拟南芥、 大豆、小麦、水稻、玉米、油菜、马铃薯、西红 柿等。
1
第6章 植物生物反应器
第1节 植物生物反应器概述 第2节 植物生物反应器的医药工程 第3节 植物生物反应器生产其他有机物 第4节 植物生物反应器的研制策略 第5节 存在问题和可能的解决方法
2
第1节 植物生物反应器概述
• 生物反应器 • 生物技术产品生产中的主体设备。 • 生物反应器是可用来进行微生物或基因工程细胞发酵或利用酶进行生化反应 者。 • 机械搅拌式发酵槽应用最广。
• 本章将就这一领域的发展现状，存在的问题及前 景进行简要综述。
4
1.1 植物生物反应器的概念
• 说法1：植物生物反应器，就是利用植物这个系统，包括植物细胞、组织器官， 以及整株植物为工厂来生产具有商业价值的生物制品包括疫苗、抗体、药用蛋白 等等。
5
• 说法2：植物生物反应器是指通过基因工程途径，以植物悬浮细胞培养或整株植物 为“工厂”，大量生产药物、工农业用酶、特殊碳水化合物、生物可降解塑料、脂 类等有机化合物。
15
• 植物抗体最大的优点是使生产抗体更加方便和廉价。尤其在生产单克隆抗体方面, 利用植物生产要比杂交瘤细胞低廉的多。
• 据估计 ，在250m2的温室中利用苜蓿生产IgG的成本约为500~600美元/g，而利 用杂交瘤细胞生产抗体的成本约为500有广阔的市场前景。目前,利用转基因植物表达的抗体包括完 整的抗体分子、分泌型抗体IgA、IgG、单链可变区片段(scFv)、Fab片段、双特异性scF v片段以及嵌合型抗体等不同类型的抗体。
8
1.2.2 植物可以大规模种植,而且产物贮藏 在种子、果实、块茎中便于贮运
• 例如，在室温条件下经过5个月储存的水稻种子中，scFv(single chain Fv)的含量 和活性没有明显的损失。在4℃条件下，储存18个月的铃薯仍保留50%的有活性的 抗体。
9
相关知识
• 单链抗体(Single-chain Fv，ScFv)是将抗体变异区
(fragment of variable region，Fv)中的重链变异区(v
ariable region of heavy chain，VH)和轻链变异区(v
ariable region of light chain ，VL)以人为的连接子(l
inker)连接起来，是深具应用潜力的蛋白质工程产
• Zeitlin等（1998）将人抗单纯疱疹病毒(anti-herp essimplex virus，HSV)的抗体在大豆中表达，其 效果已在小鼠模型中得到证实，能够预防HSV-2 的传播。
19
• Ma等(1998)将引起龋齿的链球菌 (Sreptpcpccus mutants)表面抗原的嵌合抗体IgA-G引入到烟草中， 该抗体对抑制链球菌(Sreptpcpccus mutants)的作 用与杂交瘤细胞产生的抗体一样。
• 临床实验证实，该抗体可以有效清除人口腔内的 变异链球菌(S.mutans)，并预防志愿者口腔产生 龋齿。目前已被作为牙膏的一种成分，进入二期 临床试验。
20
• Stoger （2000）等在水 稻和小麦中成功表达了 癌 胚 抗 原 (carcino-embr yonic antigen，CEA)的 scFv 抗 体 ， CEA 是 一 种 肿瘤相关标记抗原，可 以 利 用 CEA 的 抗 体 进 行 癌症的治疗。
6
• 广义上讲，植物生物反应器不仅仅指经基因工程改造的植物细胞、组织器官以及 整株植物，也包括天然的植物，例如一些天然植物的次生代谢产物也具有重要的 药用价值。
7
1.2 植物生物反应器的 优点
1.2.1 植物是最经济的蛋白质生产系统
• 种植植物所需要的仅是阳光,来自土壤或肥料的矿质营养、水分。这一点明显优于微 生物发酵和动物细胞的培养，因为微生物发酵需要昂贵的设备投入，而动物细胞的 培养需要昂贵的生长培养基，而且要保持无菌的生产条件。
物。具有分子量小、组织穿透能力强及免疫原性
低等特点，在疾病的诊断及治疗应用方面具有很
大潜力。
10
1.2.3 植物具有完整的真核细胞表达系统
• 表达产物能进行正确的折叠装配，及糖基化、磷酸化、酰胺化，从而具有与高等动 物细胞表达的产物基本一致的免疫原性和生物活性。
11
1.2.4 植物生物反应器的表达产物具有无毒性 和副作用,安全可靠,无残存DNA和潜在致病致 癌性
• Ma等（1995）将鼠的单克隆抗体的J链、杂合的IgA-G重链、鼠的J链和兔的SC链、分 别转化烟草，获得4个转基因株系，经后代连续的有性杂交，得到同时表达4个蛋白质 链的转基因植株，这4种蛋白质链能组装成一个有功能的分泌型免疫球蛋白。
18
• McCormick等（1999）利用烟草花叶病毒(TMV) 为载体在烟草中瞬时表达了一种肿瘤起源的scFv， 该抗体是淋巴瘤特异的疫苗，经过这种疫苗免疫 的小鼠能够产生10Lg/ml以上的抗独特性抗体， 能够抵制致死剂量的肿瘤。
13
第2节 植物生物反应器应用研究
2.1 植物抗体 2.2 口服疫苗 2.3 其他药用蛋白
14
2.1 植物抗体
• 抗体(antibody)是动物体液中的一系列球蛋白,称为免疫球蛋白(immunoglobulin，Ig)。 它们可介导动物的体液免疫反应。
• 将编码全抗体或抗体片段的基因导入植物,在植物中表达出具有功能性识别抗原及结 合特性的全抗体或部分抗体片段即植物抗体。
• 用动物细胞作为生物反应器,则有可能因为动物本身携带的致病原而对人的健康 造成威胁。
12
• 由于植物具有上述优势,所以分子农业的设想在20世纪80年代末一经提出,就成为转基因 植物领域的研究热点。
• 目前,在植物生物反应器上已取得一定成绩,这主要表现在3个方面： • 一是在植物中表达抗体 • 二是利用植物生产疫苗 • 三是利用植物生产其他药用蛋白。
• 利用动物、植物本身作为反应器。
3
• 近年来，转基因植物作为生物反应器来表达外源 蛋白(包括疫苗、抗体、药用蛋白)，即所谓的“分 子农业(molecular farming)”已成为植物基因工程 领域内一个研究的生长点，具有极大的市场前景 和商业价值。
• 目前，已用于生物反应器的植物有烟草、拟南芥、 大豆、小麦、水稻、玉米、油菜、马铃薯、西红 柿等。
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第6章 植物生物反应器
第1节 植物生物反应器概述 第2节 植物生物反应器的医药工程 第3节 植物生物反应器生产其他有机物 第4节 植物生物反应器的研制策略 第5节 存在问题和可能的解决方法
2
第1节 植物生物反应器概述
• 生物反应器 • 生物技术产品生产中的主体设备。 • 生物反应器是可用来进行微生物或基因工程细胞发酵或利用酶进行生化反应 者。 • 机械搅拌式发酵槽应用最广。
• 本章将就这一领域的发展现状，存在的问题及前 景进行简要综述。
4
1.1 植物生物反应器的概念
• 说法1：植物生物反应器，就是利用植物这个系统，包括植物细胞、组织器官， 以及整株植物为工厂来生产具有商业价值的生物制品包括疫苗、抗体、药用蛋白 等等。
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• 说法2：植物生物反应器是指通过基因工程途径，以植物悬浮细胞培养或整株植物 为“工厂”，大量生产药物、工农业用酶、特殊碳水化合物、生物可降解塑料、脂 类等有机化合物。
15
• 植物抗体最大的优点是使生产抗体更加方便和廉价。尤其在生产单克隆抗体方面, 利用植物生产要比杂交瘤细胞低廉的多。
• 据估计 ，在250m2的温室中利用苜蓿生产IgG的成本约为500~600美元/g，而利 用杂交瘤细胞生产抗体的成本约为500有广阔的市场前景。目前,利用转基因植物表达的抗体包括完 整的抗体分子、分泌型抗体IgA、IgG、单链可变区片段(scFv)、Fab片段、双特异性scF v片段以及嵌合型抗体等不同类型的抗体。
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1.2.2 植物可以大规模种植,而且产物贮藏 在种子、果实、块茎中便于贮运
• 例如，在室温条件下经过5个月储存的水稻种子中，scFv(single chain Fv)的含量 和活性没有明显的损失。在4℃条件下，储存18个月的铃薯仍保留50%的有活性的 抗体。
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相关知识
• 单链抗体(Single-chain Fv，ScFv)是将抗体变异区
(fragment of variable region，Fv)中的重链变异区(v
ariable region of heavy chain，VH)和轻链变异区(v
ariable region of light chain ，VL)以人为的连接子(l
inker)连接起来，是深具应用潜力的蛋白质工程产
• Zeitlin等（1998）将人抗单纯疱疹病毒(anti-herp essimplex virus，HSV)的抗体在大豆中表达，其 效果已在小鼠模型中得到证实，能够预防HSV-2 的传播。
19
• Ma等(1998)将引起龋齿的链球菌 (Sreptpcpccus mutants)表面抗原的嵌合抗体IgA-G引入到烟草中， 该抗体对抑制链球菌(Sreptpcpccus mutants)的作 用与杂交瘤细胞产生的抗体一样。
• 临床实验证实，该抗体可以有效清除人口腔内的 变异链球菌(S.mutans)，并预防志愿者口腔产生 龋齿。目前已被作为牙膏的一种成分，进入二期 临床试验。
20
• Stoger （2000）等在水 稻和小麦中成功表达了 癌 胚 抗 原 (carcino-embr yonic antigen，CEA)的 scFv 抗 体 ， CEA 是 一 种 肿瘤相关标记抗原，可 以 利 用 CEA 的 抗 体 进 行 癌症的治疗。
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• 广义上讲，植物生物反应器不仅仅指经基因工程改造的植物细胞、组织器官以及 整株植物，也包括天然的植物，例如一些天然植物的次生代谢产物也具有重要的 药用价值。
7
1.2 植物生物反应器的 优点
1.2.1 植物是最经济的蛋白质生产系统
• 种植植物所需要的仅是阳光,来自土壤或肥料的矿质营养、水分。这一点明显优于微 生物发酵和动物细胞的培养，因为微生物发酵需要昂贵的设备投入，而动物细胞的 培养需要昂贵的生长培养基，而且要保持无菌的生产条件。
物。具有分子量小、组织穿透能力强及免疫原性
低等特点，在疾病的诊断及治疗应用方面具有很
大潜力。
10
1.2.3 植物具有完整的真核细胞表达系统
• 表达产物能进行正确的折叠装配，及糖基化、磷酸化、酰胺化，从而具有与高等动 物细胞表达的产物基本一致的免疫原性和生物活性。
11
1.2.4 植物生物反应器的表达产物具有无毒性 和副作用,安全可靠,无残存DNA和潜在致病致 癌性