植物细胞大规模培养及有用物质生产共63页

生物反应器
Stirred Tank Bioreactors
An external motor is used to agitate the growth medium with impellers.
Sterile air or combinations of gases can be introduced (sparkling)
植物细胞培养具有周期长、细胞抗剪切能 力弱、易团聚等特点。同时，植物细胞规模 培养的目的是生产天然产物，所以，植物细 胞培养反应器的设计不仅要考虑有利于细胞 生长，还要考虑有利于产物的积累和分离。
总体上，适合植物细胞培养的反应器应具 有适宜的氧传递、良好的流动性和较低的剪 切力。
机械搅拌式培养系统
植物产生代谢产物的类型 根据分子结构不同大致分为： 酚类化合物：黄酮类；醌类（苯醌、萘醌、蒽醌） 萜类化合物：三萜皂甙；甾体皂甙；单萜、倍半萜、二萜 含氮化合物：生物碱；胺类（伯、仲、叔、季胺）
非蛋白氨基酸 生氰甙
多炔类、有机酸
植物次生代谢产物在医药、食品、轻化工业 等领域具有重要意义。
李时珍在《本草纲目》中所开列的1892种药 物绝大多数是植物药物，目前仍有约25％的法定 药品来自植物。其药物的有效成分均为次生产物 。许多植物次生代谢产物是优良的食品添加剂和 名贵化妆品原料。有些是生物毒素的主要来源， 可以用于杀虫、杀菌，而对环境和人畜无害是理 想的环保产品。
Circulation through an external loop
旋转式培养系统 一般用于产品中试或某些必需裂解细
胞才能获得目的产物的培养，其优点是控制 精确，处理灵活，缺点是培养体积较小。
②固定化培ຫໍສະໝຸດ Baidu系统
这一技术的优点在于： 可以较容易地控制培养系统的理化环境，从而可以研
究特定的代谢途径，并便于调节； 细胞位置的固定使其所处的环境类似于在植物体中所
机械搅拌式生物反应器通常是在微生物发酵 罐的基础上改进设计的，根据植物细胞的特性， 其设备要求在微生物发酵罐的基础上作如下改进 ：搅拌装置要减少剪切，一般改叶轮式为螺旋式 ；因为植物细胞生长周期长，需要随时补充水分 和营养，因此必须设计加液装置；由于植物细胞 的生理活动需要新鲜空气，且细胞代谢也可能产 生有害气体，所以必须设计通气装置； 为便于取 样观察，一般还设计有取样口。
2、种子细胞系的增殖与放大培养
种子细胞增殖初期一般采用摇瓶培养，摇瓶体积从 几百毫升到几升逐级放大。当细胞数量增加到一定 值后，应转移至体积较小的生物反应器培养。
3、大规模培养体系的建立 （1）成批培养：在一个培养体积中接种细胞
或添加培养基后，中途不添加也不更换培 养基的方式。
（2）连续培养：在培养过程中，不断向反应
气压搅拌式培养系统
考虑到机械搅拌式反应器的剪切作用难以 避免，同时搅拌器转动的中轴往往是容易使 培养物污染的部位，因此，发展出空气提升 式生物反应器，但其缺点是搅拌不均匀。
Bubble Column Bioreactor (Airlift Reactor)
Introduction of sterile air or pure gases
植物细胞大规模培养的技术要求：
从工程的角度讲必须要进一步研究和开发适宜于植物 细胞生长和次生代谢产物生产的生物反应器，建立最佳 的控制和调节系统。 从细胞生长与培养技术方面讲必须满足以下3个条件：
1、培养的细胞在遗传上应是稳定的，以得到产量 恒定的产物。
2、细胞生长及生物合成的速度快，在较短的时间 内能得到较高产量的终产物。
is used both for agitation and oxygenation
Internal Loop Airlift Bioreactor
Tube placed inside the reactor creates internal circulation loop
External Loop Airlift Bioreactor
植物细胞大规模培养及有用物质生产
（一）、概述 （二）、植物细胞规模化培养体系的建立 （三）、利用细胞培养生产有用物质
（一）、概述
植物次生代谢产物：植物中一大类并 非植物生长发育所必需的小分子有机化 合物，其产生和分布通常有种属、器官 组织和生长发育期的特异性。次生产物 在植物中的合成与分解过程称为次生代 谢。
3、代谢产物要在细胞中积累而不被迅速分解，最 好能将其释放到培养基中。
（二）、植物细胞规模化培养体系的建立
1、种子细胞的选择
（1）准确选择能产生目的化合物的植物种类； （2）尽量选择自然状态下产生天然产物的组织器官
为外植体； (3)高产种子细胞克隆的方法：单细胞培养后，将
单细胞扩增形成的愈伤组织分2份，1份成分含 量分析，另1份保留培养。
器中以一定流量添加新培养基，同时以 一定流量从系统中取出培养基的方式。
(3)半连续培养：在完成成批培养的一个周期
后，从反应器中取出大部分细胞悬液，只 保留小部分细胞悬液作为下一培养周期的 种子细胞，然后加入新鲜培养基进行培养 的方式。
(三)生物反应器类型及特点 大规模培养系统基本原理方法与上述
实验室悬浮培养一致，但大规模培养所采 用的设备及控制技术比实验室小规模培养 要复杂的多。
处的状态，相互间接触密切，可以形成一定的理化梯度， 有利于次生产物的合成；
由于细胞固定在支持物上，培养基可以不断更换，可 以从培养基中提取产物，免除了培养基中因含有过多的初 生产物对细胞代谢的反馈抑制，也由于细胞留在反应器中 ，新的培养基可以再次利用这些细胞生产初生产物，从而 节省了生产细胞所付出的时间和费用；
正是由于细胞固定在一定的介质中，并可以从培养基 中不断提取产物，因此，它可以进行连续生产。
自然植物和细胞培养的紫草宁含量比较
生产方式
生产周期
紫草宁含量（％干重）
完整植物
2～3年
1～2
植物细胞培养
3周
14
植物次生代谢产品的市场潜能
产品成分 用途
年销售额（亿美元）
长春花碱 治疗白血病 18～20（美国）
奎宁
治疗疟疾
5～10（美国）
致热素 杀虫剂
20（全世界）
毛地黄 心脏病药
20～55（美国）