第七章生物反应器细胞培养课件.ppt

1、发酵机械与设备发酵机械与设备徐徐 明明 芳芳 博博 士士教教 授授暨暨 南南 大大 学学 生生 科科 院院2015-11-13目录绪论绪论第一篇第一篇 生物质原料处理设备生物质原料处理设备第二篇第二篇 生物反应设备生物反应设备第三篇第三篇 产物分离设备产物分离设备第四篇第四篇 其他设备其他设备底物底物生物反应器生物反应器培养基培养基（灭菌）（灭菌）经加工经加工原料原料酶酶细胞细胞生物催化剂生物催化剂（游离或固定化）（游离或固定化）机械能机械能除除菌菌空气空气产品提取纯化产品提取纯化副产品副产品产品产品废物废物热能热能原材料原材料营养物营养物典型工业生物技术过程典型工业生物技术过程 第一章第一章

2、 生物质原料预处理设备生物质原料预处理设备 第二章第二章 生物细胞培养基制备设备生物细胞培养基制备设备 第三章第三章 生物培养基灭菌设备生物培养基灭菌设备 第四章第四章 原料（物料）输送设备原料（物料）输送设备第一节第一节 发酵设备概述发酵设备概述第三节第三节 自吸式发酵罐自吸式发酵罐第四节第四节 气升式发酵罐气升式发酵罐(ALR)(ALR) 第二篇第二篇 生物反应设备生物反应设备底物底物生物反应器生物反应器检测控检测控制仪表制仪表培养基培养基（灭菌）（灭菌）经加工经加工原料原料酶酶细胞细胞生物催化剂生物催化剂（游离或固定化）（游离或固定化）机械能机械能除除菌菌空气空气产品提取纯化产品提取纯化

3、副产品副产品产品产品废物废物热能热能原材料原材料营养物营养物典型工业生物技术过程典型工业生物技术过程思考题思考题1、 有几种植物有几种植物2、简述植物体细胞杂交培养的过程、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？、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、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？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、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、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？、

4、有哪两种动物细胞培养方法？其特点？9、动物细胞培养生产生物制品工艺实例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、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？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？常用的藻类生物反应器有哪些？ 。第一节第一节植物细胞（组织）培养反应器植物细胞（组织）培养反应器 1 2植物细胞培养反应器植物细胞培养反应器 3植物组织培养反应器植物组织培养反应器Gottleib Haberlandt 1902年德国植物学家年德国植物学家Haberlandt在营养液中成功地培育了单成功地

5、培育了单个植物细胞个植物细胞，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。 Haberlandt提出植物细胞的，植物细胞的全能性：植物的植物的并发育成为完整个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养再生成植株。 一般采用一般采用(二倍体细胞二倍体细胞)， 先经先经。将将放在放在上，经过上，经过。原生质体也可用于。原生质体也可用于， 然后然后。原生质体培养原生质体培养植物原生质体培养植物原生质体培养植物组织培养植物组织培养(plant tissue culture)植物组织培养：植物组

6、织培养：离体的植物离体的植物器官、组织、器官、组织、细胞细胞植植物物体体愈愈伤伤组组织织根根芽芽脱分化：脱分化：由高度分化的由高度分化的、产生产生的过程，称的过程，称为植物细胞的脱分化。为植物细胞的脱分化。再分化：再分化：脱分化产生的脱分化产生的继继续进行续进行，这一过程称为植物细胞的再，这一过程称为植物细胞的再分化。分化。植物组织培养(1)(1)(3)植物体细植物体细胞杂交胞杂交(5)(2)(4) 植物细胞培养与微生物的区别：植物细胞培养与微生物的区别： 细胞的大小细胞的大小大大 细胞块的形状细胞块的形状易成快易成快 培养液的黏度培养液的黏度- 需氧量需氧量 Kla 值比微生物培养的值比微生

7、物培养的Kla值小得多值小得多 对剪切力敏感对剪切力敏感 需需CO2和光照和光照2 植物细胞培养植物细胞培养(plant cell culture) ：（1）代谢产物的生产完全在人工控制条件下进行，可以通）代谢产物的生产完全在人工控制条件下进行，可以通过过的的代谢产物；代谢产物；（2）培养在无菌条件下进行，可）培养在无菌条件下进行，可；（3） 可以进行特定的生物转化反应；可以进行特定的生物转化反应；（4）可以）可以等。等。2植物细胞培养植物细胞培养(plant cell culture)固定化细胞培养悬浮培养植物细胞培养光生物反应器组合式反应器非机械搅拌反应器机械搅拌反应器悬浮培养反应器膜反应

8、器流化床反应器填充床反应器固定化细胞培养反应器Stirred Tank Bioreactors2 植物细胞培养反应器植物细胞培养反应器（1） 机械搅拌式反应器机械搅拌式反应器：混合性能好混合性能好传氧效率高传氧效率高操作弹性大操作弹性大可用于细胞高密度培可用于细胞高密度培养；：剪切力大。：剪切力大。 悬浮培养生物反应器悬浮培养生物反应器尽管机械搅拌反应器已成功用于许多细胞的培养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、中，反应器内的温度、pH、溶氧及营养物质浓、溶氧及营养物质浓度较其他反应器更易控制等优点，但由于度较其他反应器更易控制等优点，但由于，同时会带，同时会带来染菌

9、和机械上的问题，因此需筛选出抗剪切力来染菌和机械上的问题，因此需筛选出抗剪切力的细胞系，也可的细胞系，也可，尤其是，尤其是搅拌桨的结构和类型的改进，使其具有缓和、充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。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图示目前规模最大的植物细胞培养反应器装置2 植物细胞培养反应器植物细胞培养反应器 机械搅拌式反应器机械搅拌式反应器机械搅拌通风式生物反应器机械搅拌通风式生物反应器非搅拌式反应器所产生的剪切力较小，结构简单。其主要类型有鼓泡式反应器、气升式反应器等气体搅拌式反应器鼓泡式反应器、气升式反应器等气体搅拌式反应器 2 植物细胞培养反

10、应器植物细胞培养反应器 （2）非机械搅拌式反应器）非机械搅拌式反应器-气升式气升式 Air inletGas outletCulture mediumSieve plateBubble Column Bioreactor植物细胞培养反应器植物细胞培养反应器 非机械搅拌式反应器非机械搅拌式反应器Air-lift Bioreactor植物细胞的培养植物细胞的培养其中常用的是气体搅拌生物反应器。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大程度上减少了剪切力，并能在长期操作中保持无菌。无

11、菌。 植物细胞培养反应器植物细胞培养反应器 紫草细胞培养紫草细胞培养LS培养基培养基诱导培养诱导培养悬浮培养悬浮培养一级培养一级培养。植物细胞培养反应器植物细胞培养反应器 （3）组合式反应器组合式反应器 光生物反应器光生物反应器植物细胞培养反应器植物细胞培养反应器 固定化细胞生物反应器固定化细胞生物反应器 进口出口利用利用。颗粒呈流化状态颗粒呈流化状态所需的能量与颗所需的能量与颗粒大小成正比，粒大小成正比，因此常采用小固因此常采用小固定化颗粒，这些定化颗粒，这些的优点，的优点，缺点：剪切力和缺点：剪切力和颗粒碰撞会损坏颗粒碰撞会损坏固定化细胞固定化细胞。 植物细胞培养反应器植物细胞培养反应器植

12、物细胞培养反应器植物细胞培养反应器 流化床反应器流化床反应器 （中空纤维螺旋卷绕反应器采用具有一定采用具有一定。营养物质通过营养物质通过中。中。主要有：中空纤维反应器和主要有：中空纤维反应器和螺线式卷绕反应器，优点：螺线式卷绕反应器，优点：可以重复使用可以重复使用 10541287693植物组织培养反应器植物组织培养反应器 (1). 浅层循环式植株快速繁殖器浅层循环式植株快速繁殖器 双层板径向流生物反应器双层板径向流生物反应器植物组织培养反应器植物组织培养反应器 内环喷雾生物反应器内环喷雾生物反应器进进气气排排气气 （1)西洋参细胞培养西洋参细胞培养乙醇消毒诱导培养悬浮培养大量培养过滤干燥 植

13、物细胞的生产流程与应用植物细胞的生产流程与应用 (2)植物细胞植物细胞产物产物产物作用产物作用紫草宁紫草宁类胰岛素类胰岛素治疗糖尿病治疗糖尿病长春花碱长春花碱治疗白血病药治疗白血病药紫杉醇紫杉醇抗癌药物抗癌药物毛地黄毒素毛地黄毒素强心剂强心剂LS培养基诱导培养悬浮培养一级培养二级培养过滤分离干燥 紫草细胞培养生产紫草宁紫草细胞培养生产紫草宁(Shikonin)植物细胞培养的应用植物细胞培养的应用(3) (3) 植物细胞培养的应用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、降低生产成本缩短生产周期、降低生产成本 提高培养细胞中的有效成分

14、含量提高培养细胞中的有效成分含量 防止细防止细胞集聚成块胞集聚成块 防止防止细胞株的种性退化和变异细胞株的种性退化和变异 研制更能适合植物细胞生长的生物反应器研制更能适合植物细胞生长的生物反应器第二节第二节 动物细胞融合动物细胞融合杂杂 交交 瘤瘤 技技 术术动物细胞培养反应器动物细胞培养反应器 1动物细胞培养方法动物细胞培养方法 2动物细胞培养技术的应用动物细胞培养技术的应用 3 动物细胞培养的特点动物细胞培养的特点 4细胞培养的操作方式细胞培养的操作方式 5细胞培养反应器细胞培养反应器 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

15、上生长特征，可分为持物上生长特征，可分为贴附型生长和悬浮型生长两大类贴附型生长和悬浮型生长两大类。在培养时能贴附在支技物表面生长。在培养时能贴附在支技物表面生长。大多数动物细胞属于贴壁型细胞，如大多数动物细胞属于贴壁型细胞，如Hela、Vero、BHK、CHO细胞系细胞系。在培养中悬浮生长。在培养中悬浮生长。来源于来源于血液、淋巴组织的细胞，许多肿瘤细胞和某些转化细血液、淋巴组织的细胞，许多肿瘤细胞和某些转化细胞。胞。1 动物细胞培养方法动物细胞培养方法1 动物细胞培养方法动物细胞培养方法 （1）贴壁培养）贴壁培养(单层细胞培养单层细胞培养) 分散的细胞悬浮在培养瓶中很快分散的细胞悬浮在培养瓶

16、中很快(几十分钟至几小时几十分钟至几小时)就贴就贴附在瓶壁上，附在瓶壁上， 称为细胞贴壁，称为细胞贴壁， 贴壁后的细胞形态形成多态贴壁后的细胞形态形成多态性，性， 呈单层生长，呈单层生长， 所以此法又叫单层细胞培养。所以此法又叫单层细胞培养。（2 2）悬浮培养）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，如悬浮型细胞培养，如淋巴淋巴细和肿瘤细胞的培养。细和肿瘤细胞的培养。 （3 3）固定化培养）固定化培养 一种一种包埋培养。对两类细胞都适用，细胞生长密度高，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

17、污染能力强抗剪切力和抗污染能力强。常用海藻酸钙包埋常用海藻酸钙包埋，细胞常用细胞常用。1 动物细胞培养方法动物细胞培养方法 动物细胞培养可生产的生物制品2 动物细胞培养技术的应用动物细胞培养技术的应用2 动物细胞培养技术的应用动物细胞培养技术的应用 细胞单层细胞单层细胞悬液细胞悬液细胞培养物培养 培养液培养液提取液提取液 层析液层析液浓缩液浓缩液层析液层析液tPA成品分散分离提取层析纯化浓缩层析精制冻干2.培养液培养液杂种细胞混合物杂种细胞混合物大鼠骨髓瘤大鼠骨髓瘤免疫大鼠脾淋巴细胞免疫大鼠脾淋巴细胞融合融合混合物融合混合物筛选克隆化杂交瘤克隆系杂交瘤克隆系种质培养细胞种质细胞种质扩大培养分离

18、粗制粗制McAb精制层析液层析液超虑浓缩液浓缩液冻干McAb精品精品杂杂 交交 瘤瘤 技技 术术 动物细胞培养的特点3 动物细胞培养的特点动物细胞培养的特点动物细胞培养反应器动物细胞培养反应器 无论是贴壁细胞还是悬浮细胞，深层培养的操作方式可分无论是贴壁细胞还是悬浮细胞，深层培养的操作方式可分4 细胞培养的操作方式细胞培养的操作方式。 操作简单、是最常用的操作方式。分批式培养过程中，细胞操作简单、是最常用的操作方式。分批式培养过程中，细胞的生长可分为延迟期、对数生长期、减速期、平稳期和衰退期的生长可分为延迟期、对数生长期、减速期、平稳期和衰退期分批式培养细胞生长曲线分批式培养细胞生长曲线 4

19、细胞培养的操作方式细胞培养的操作方式 能够调节培养环境中营养物能够调节培养环境中营养物质的浓度。质的浓度。 能提高细胞密度，应用于培能提高细胞密度，应用于培养悬浮型细胞。养悬浮型细胞。 大大提高细胞密度，有助于大大提高细胞密度，有助于产物的表达和纯化。产物的表达和纯化。5 动物细胞培养反应器动物细胞培养反应器动物细胞培养反应器动物细胞培养反应器它是根据动物细胞培养时要求它是根据动物细胞培养时要求剪切力小、混合性能好的特点剪切力小、混合性能好的特点开发出来的生物反应器。开发出来的生物反应器。主要有主要有Spier笼式通气搅拌生物笼式通气搅拌生物反应器、反应器、CelliGen笼式通气搅笼式通气搅

20、拌生物反应器和拌生物反应器和CellCul-20双双层笼式通气搅拌生物反应器层笼式通气搅拌生物反应器动物细胞培养反应器动物细胞培养反应器 通气搅拌式细胞培养反应器通气搅拌式细胞培养反应器动物细胞培养反应器动物细胞培养反应器 通气搅拌式细胞培养反应器通气搅拌式细胞培养反应器动物细胞培养反应器动物细胞培养反应器 气升式细胞培养反应器气升式细胞培养反应器CelliGen笼式通气搅拌生物反应器 CelliGen笼式通气搅拌生物反应器是Spier笼式通气搅拌生物反应器的改进型。 的通气装置是将笼式通气搅拌装置改为。 动物细胞培养反应器动物细胞培养反应器 气升式细胞培养反应器气升式细胞培养反应器气升式培养

21、系统的优点：气升式培养系统的优点： 没有移动部件；没有移动部件； 完全密封；完全密封； 便于无菌操作；便于无菌操作； 设计简单；设计简单； 便于放大生产；便于放大生产； 氧的转换率高。氧的转换率高。动物细胞培养反应器动物细胞培养反应器 通气搅拌式细胞培养反应器通气搅拌式细胞培养反应器动物细胞培养反应器动物细胞培养反应器 气升式细胞培养反应器气升式细胞培养反应器 细胞培养流程细胞培养流程动物细胞培养反应器动物细胞培养反应器 中空纤维细胞培养反应器中空纤维细胞培养反应器动物细胞培养反应器动物细胞培养反应器 中空纤维细胞培养反应器中空纤维细胞培养反应器优点：优点： 培养体积小，细胞高密度生长；培养体

22、积小，细胞高密度生长； 有浓缩产品的功能；有浓缩产品的功能； 产物纯度高；产物纯度高； 自动化程度高，细胞生长周期长。自动化程度高，细胞生长周期长。缺点：缺点： 中空纤维价格昂贵，生产成本高。中空纤维价格昂贵，生产成本高。动物细胞培养反应器动物细胞培养反应器 微囊细胞培养反应器微囊细胞培养反应器特点：特点： 细胞密度大； 产物浓度高； 分离纯化操作经济简单； 抗体活性、纯度好动物细胞培养反应器动物细胞培养反应器 微载体微载体细胞培养反应器细胞培养反应器动物细胞培养反应器动物细胞培养反应器 微载体细胞培养反应器微载体细胞培养反应器悬浮培养瓶悬浮培养装置动物细胞培养反应器动物细胞培养反应器 微载体

23、细胞培养反应器微载体细胞培养反应器动物细胞培养反应器动物细胞培养反应器 微载体细胞培养反应器微载体细胞培养反应器微载体系统培养动物细胞的优点：微载体系统培养动物细胞的优点： 比表面积大，单位体积培养培养基细胞产率高比表面积大，单位体积培养培养基细胞产率高; 微载体悬浮于培养基中，细胞生长环境均一，简化微载体悬浮于培养基中，细胞生长环境均一，简化了这些环境因素的检测和控制了这些环境因素的检测和控制; 培养基的利用率高培养基的利用率高; 采样重演性好采样重演性好; 收获过程简单收获过程简单; 放大较容易放大较容易; 劳动强度小，占用空间小。劳动强度小，占用空间小。动物细胞培养反应器动物细胞培养反应

24、器 微载体细胞培养反应器微载体细胞培养反应器动物细胞培养反应器动物细胞培养反应器 大载体细胞培养反应器大载体细胞培养反应器优点：优点： 操作控制简单，操作控制简单，可随机取样检测；可随机取样检测； 人工增加附着细人工增加附着细胞密度高；胞密度高； 消耗用品价格低消耗用品价格低廉，产物收率高；廉，产物收率高；活体生物反应器活体生物反应器 转基因植物生物反应器转基因植物生物反应器 应用应用 生产糖类物质：淀粉等生产糖类物质：淀粉等 生产可降解生物塑料的原料：生产可降解生物塑料的原料：PHA、PHB 生产蛋白质和多肽生产蛋白质和多肽 转基因动物生物反应器转基因动物生物反应器 动物乳腺生物反应器动物乳

25、腺生物反应器 动物血液生物反应器动物血液生物反应器 动物膀胱生物反应器动物膀胱生物反应器转基因牛转基因牛活体生物反应器活体生物反应器第三节微藻培养反应器第三节微藻培养反应器微藻中蛋白质含量高，且微藻中蛋白质含量高，且富含各种维生素富含各种维生素，多不饱和脂多不饱和脂肪酸、生物多糖、矿物质肪酸、生物多糖、矿物质等，具有抗肿瘤、防治心血管等，具有抗肿瘤、防治心血管疾病等生理活性疾病等生理活性。螺旋藻(Spirulina)小球藻(Chlorella)杜氏藻(Dunaliella) 微藻主要种类及活性成分光照式生物反应器光照式生物反应器微藻培养反应器微藻培养反应器 微藻生物技术的优点：微藻生物技术的优

26、点： （1）光能利用率高；）光能利用率高； （2）生物量易于收获、加工和利用；）生物量易于收获、加工和利用； （3）能产生高浓度、有价值的产物；）能产生高浓度、有价值的产物； （4）细胞分裂周期短。）细胞分裂周期短。 微藻大规模培养的特点：微藻大规模培养的特点： （1）需要足够的光照；）需要足够的光照； （2）需要供应大量的）需要供应大量的CO2和排放大量的和排放大量的O2； （3）混合均匀，防止细胞沉降，且使细胞受光均匀；）混合均匀，防止细胞沉降，且使细胞受光均匀； （4）微藻的培养基多采用海水配制，除淡水藻外。）微藻的培养基多采用海水配制，除淡水藻外。 微藻培养反应器微藻培养反应器 微藻培

27、养反应器应有条件：微藻培养反应器应有条件： （1）足够的光照；）足够的光照； （2）合适的温度；）合适的温度； （3）合适的无机碳源及其他无机营养物质；）合适的无机碳源及其他无机营养物质； （4）合适的）合适的pH； （5）充分混合；）充分混合； （6）避免污染；）避免污染； （7）氧的析出或供应；）氧的析出或供应；微藻培养反应器微藻培养反应器 微藻培养反应器微藻培养反应器 敞开式培养反应器敞开式培养反应器 优点：优点： 成本低、建造容易、操成本低、建造容易、操作简单、易于生产。作简单、易于生产。缺点：缺点： 培养效率低、培养条件无法控制、易培养效率低、培养条件无法控制、易受污染、水分易蒸发、

28、光能利用率低。受污染、水分易蒸发、光能利用率低。微藻培养反应器微藻培养反应器 微藻培养反应器微藻培养反应器 密闭式培养反应器密闭式培养反应器 优点：优点： 培养效率高、培养条件易于控制、污染少、培养效率高、培养条件易于控制、污染少、生产周期延长、适用于所有藻类的培养。生产周期延长、适用于所有藻类的培养。微藻培养反应器微藻培养反应器 微藻培养反应器微藻培养反应器 密闭式培养反应器密闭式培养反应器 开发密闭式微藻光培养反应器依据的原则：开发密闭式微藻光培养反应器依据的原则： （1 1）高光照比表面积；）高光照比表面积； （2 2）较高的气体交换效率；）较高的气体交换效率； （3 3）适合的循环方式

29、；）适合的循环方式； （4 4）改善光的传播途径、分配和质量；）改善光的传播途径、分配和质量； （5 5）防治有害次生代谢的积累；）防治有害次生代谢的积累； （6 6）较易实现培养条件的优化；）较易实现培养条件的优化； （7 7）尽量降低生产成本。）尽量降低生产成本。微藻培养反应器微藻培养反应器 微藻培微藻培养反应器养反应器 管道管道式光培养式光培养反应器反应器微藻培养反应器微藻培养反应器 微藻培养反应器微藻培养反应器 浅层溢流光培养反应器浅层溢流光培养反应器之其他类型发酵罐其他类型通风发酵罐其他类型通风发酵罐之其他类型发酵罐其他类型通风发酵罐其他类型通风发酵罐之其他类型发酵罐其他类型通风发酵罐其他类型通风发酵罐卧式转盘发酵反应器卧式转盘发酵反应器光照不锈钢发酵罐光照不锈钢发酵罐之其他类型发酵罐其他类型通风发酵罐其他类型通风发酵罐