动植物细胞培养装置和酶反应器

1、关于动植物细胞培养装置和酶反应器现在学习的是第一页，共62页第一节 动物细胞培养反应器 动物细胞培养可生产的生物制品1.1.病毒疫苗：病毒疫苗：口蹄疫(FMD)、狂犬疫苗等2.2.非抗体免疫调节剂：非抗体免疫调节剂：干扰素(IFN)、白介素(IL)等3.3.多肽生长因子：多肽生长因子：神经生长因子(NGF)、成纤维细胞生长因子(FGF)4.4.酶：酶：组织血纤维溶酶原激活剂(t-PA)5.5.激素：激素：红细胞生成素(EPO)、促黄体生成素(LH)6.6.病毒杀虫剂病毒杀虫剂7.7.肿瘤特异性抗原：癌胚抗原肿瘤特异性抗原：癌胚抗原(CEA)(CEA)8.8.单克隆抗体单克隆抗体9.9.皮肤重植

2、皮肤重植10.10.细胞细胞现在学习的是第二页，共62页 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组织纤溶酶激活剂生产工艺流程细胞单层细胞悬液细胞培养物培养 培养液提取液 层析液浓缩液层析液tPA成品分散分离提取层析纯化浓缩层析精制冻干2.抗抗HBsAS的单克隆抗体生产工艺流程的单克隆抗体生产工艺流程培养液杂种细胞混合物大鼠骨髓瘤免疫大鼠脾淋巴细胞融合融合混合物筛选克隆化杂交瘤克隆系种质培养细胞种质扩大培养分离粗制McAb精制层析液超虑浓缩液冻干McAb精品现在学习的是第三页，共62页动物细胞融合动物细胞融合现在学习的是第四页，共62页杂杂 交交 瘤瘤 技技 术术现在

3、学习的是第五页，共62页 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；细胞生长缓慢，易受微生物污染，培养时需要抗生素；2. 动物细胞较微生物大得多，无细胞壁，机械强度低，适应环境能动物细胞较微生物大得多，无细胞壁，机械强度低，适应环境能力差；力差；3. 培养过程需氧量少，且不耐受强力通风与搅拌；培养过程需氧量少，且不耐受强力通风与搅拌；4. 在机体中，细胞相互粘连以集群形式存在；在机体中，细胞相互粘连以集群形式存在；5. 成本高，产品价格昂贵；成本高，产品价格昂贵；6. 大规模培养时，不可套用微生物反应的经验；大规模培养时，不可套用微生物反应的经验；7. 原代培养细

4、胞一般繁殖原代培养细胞一般繁殖50代即退化死亡。代即退化死亡。动物细胞培养的特点动物细胞培养的特点现在学习的是第六页，共62页性质性质动物细胞动物细胞微生物细胞微生物细胞大小大小代谢调节方式代谢调节方式营养要求营养要求生长速率生长速率机械强度机械强度环境适应性环境适应性10-100m mm内部和激素内部和激素苛刻苛刻倍增时间一般为倍增时间一般为12-60h很差，缺乏保护性细胞壁很差，缺乏保护性细胞壁差差10m mm内部内部宽松，可利用多种底物宽松，可利用多种底物倍增时间一般为倍增时间一般为0.5-2h较好较好好好表表 动物细胞与微生物细胞的性质比较动物细胞与微生物细胞的性质比较 现在学习的是第

5、七页，共62页性质性质动物细胞动物细胞微生物细胞微生物细胞pH控制控制搅拌速度搅拌速度溶氧控制溶氧控制培养基灭菌方法培养基灭菌方法培养时间培养时间对水纯度的要求对水纯度的要求CO2HCO3缓冲液缓冲液较慢较慢改改变进入气体的氧浓度变进入气体的氧浓度过滤过滤 几天几天3、4周周很高很高添加酸、碱添加酸、碱速度快、范围广速度快、范围广改变搅拌速度改变搅拌速度 、通气量等、通气量等高温蒸煮高温蒸煮几小时几小时几天几天较低较低表表 动物细胞与微生物细胞的培养方法比较动物细胞与微生物细胞的培养方法比较 现在学习的是第八页，共62页 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

6、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。持物上生长特征，可分为贴附型生长和悬浮型生长两大类。贴附型细胞贴附型细胞在培养时能贴附在支持物表面生长。大多数动物细胞在培养时能贴附在支持物表面生长。大多数动物细胞属于贴壁型细胞，如属于贴壁型细胞，如Hela、Vero、BHK、CHO细胞系。细胞系。悬浮型细胞悬浮型细胞在培养中悬浮生长。来源于血液、淋巴组织的细在培养中悬浮生长。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。胞，许多肿瘤细胞和某些转化细胞。动物细胞培养方法动物细胞培养方法现在学习的是第九页，共62页动物细胞培养方法动物细胞培养方法 贴壁培养

7、(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。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。现在学习的是第十页，共62页 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，抗一种

8、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。型细胞常用胶原包埋。动物细胞培养方法动物细胞培养方法现在学习的是第十一页，共62页 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细胞培养的操作方式细胞培养的操作方式分批式、流加式、半连续式、连续式和灌注式。分批式、流加式、半连续式、连续式和灌注式。 分批式操作分批式操作 操作简单、是最常用的操作方式。分批式培养过程中，细胞的生操作简单、是最常用的操作方式。分批式培养过

9、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现在学习的是第十二页，共62页 流加式培养流加式培养 特点：特点：可避免某种营养成分的初始浓度过高；可避免某种营养成分的初始浓度过高；能防止营养成分在培养过程中被耗尽；能防止营养成分在培养过程中被耗尽；整个过程反应体积是变化的。整个过程反应体积是变化的。 现在学习的是第十三页，共62页 半连续式培养半连续式培养 指 在 分 批指 在 分 批式培养的基础上，式培养的基础上，将分批培养的培将分批培养的培养液部分取出，养液部分取出，并补充加入等

10、量并补充加入等量的新鲜培养基，的新鲜培养基，使反应器内培养使反应器内培养液的总体积保持液的总体积保持不变。不变。现在学习的是第十四页，共62页 连续式培养连续式培养 连续式培养：使反应条件处于一种恒定连续式培养：使反应条件处于一种恒定状态。状态。 特点：细胞所处环境条件长时间地稳定。特点：细胞所处环境条件长时间地稳定。 能提高细胞密度，应用于培养悬浮型细能提高细胞密度，应用于培养悬浮型细胞。胞。现在学习的是第十五页，共62页5 5、灌注培养、灌注培养灌注培养：灌注培养：是把细胞接种后进行培养，新鲜的培养液从是把细胞接种后进行培养，新鲜的培养液从反应器一头不断加入，从另一头不断取出等量的培养反应

11、器一头不断加入，从另一头不断取出等量的培养液，细胞仍留在反应器内，使细胞处于一种营养不断液，细胞仍留在反应器内，使细胞处于一种营养不断的状态。的状态。特点：特点：高密度培养动物细胞。高密度培养动物细胞。现在学习的是第十六页，共62页动物细胞培养反应器动物细胞培养反应器现在学习的是第十七页，共62页动物细胞培养反应器动物细胞培养反应器现在学习的是第十八页，共62页一、通气搅拌式细胞培养反应器一、通气搅拌式细胞培养反应器现在学习的是第十九页，共62页 工作原理工作原理:反应器运转时，反应器运转时，圆筒以圆筒以30-60r/min30-60r/min的速度转的速度转动，由于离心力的作用，搅动，由于离

12、心力的作用，搅拌器中心管内产生负压，使拌器中心管内产生负压，使搅拌器外培养基流入中心管，搅拌器外培养基流入中心管，沿管螺旋上升，再从导流筒沿管螺旋上升，再从导流筒口排出，从搅拌器外沿下降，口排出，从搅拌器外沿下降，形成循环流动。在气腔内气形成循环流动。在气腔内气体由分布管鼓泡，气体溶于体由分布管鼓泡，气体溶于液体中，依靠气腔丝网外液液体中，依靠气腔丝网外液体的循环流动及扩散作用，体的循环流动及扩散作用，使溶于液体中的气体成分均使溶于液体中的气体成分均匀地分布到反应器内。匀地分布到反应器内。现在学习的是第二十页，共62页反应器的优缺点反应器的优缺点优点：避免向培养优点：避免向培养基直接通气时气基

13、直接通气时气泡损伤细胞，没泡损伤细胞，没有移动部件，密有移动部件，密封好，氧转换率封好，氧转换率较高，便于放大。较高，便于放大。 缺点：氧传递系数小，缺点：氧传递系数小，气路系统不能就地气路系统不能就地灭菌。灭菌。 反应器适用范围反应器适用范围 悬浮培养：非贴壁依赖性细胞和悬浮培养：非贴壁依赖性细胞和贴壁于微载体的贴壁细胞贴壁于微载体的贴壁细胞现在学习的是第二十一页，共62页二、气升式细胞培养反应器二、气升式细胞培养反应器与微生物发酵及植物细胞培养的反应器结构相同。与微生物发酵及植物细胞培养的反应器结构相同。气升式培养系统的优点：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；

14、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。现在学习的是第二十二页，共62页 细胞培养流程细胞培养流程现在学习的是第二十三页，共62页三、中空纤维细胞培养反应器三、中空纤维细胞培养反应器 现在学习的是第二十四页，共62页 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

15、，生产成本高。现在学习的是第二十五页，共62页四、微载体细胞培养系统四、微载体细胞培养系统微载体悬浮培养定义：微载体悬浮培养定义：用微珠作载体，用微珠作载体， 使单层动使单层动物细胞生长于微珠表面，可在培养液中进行悬浮物细胞生长于微珠表面，可在培养液中进行悬浮培养。培养。 微载体：微载体：贴壁培养动物细胞的载体微珠。贴壁培养动物细胞的载体微珠。反应器反应器:可用与悬浮培养相同设备可用与悬浮培养相同设备现在学习的是第二十六页，共62页现在学习的是第二十七页，共62页现在学习的是第二十八页，共62页 微载体微载体细胞培养反应器细胞培养反应器现在学习的是第二十九页，共62页 微载体细胞培养反应器微载

16、体细胞培养反应器悬浮培养瓶悬浮培养装置现在学习的是第三十页，共62页 微载体细胞培养反应器微载体细胞培养反应器现在学习的是第三十一页，共62页 微载体细胞培养反应器微载体细胞培养反应器现在学习的是第三十二页，共62页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，简化了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

17、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。现在学习的是第三十三页，共62页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现在学习的是第三十四页，共62页 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现在学习的是第三十五页，共62页第二节第二

18、节 植物细胞培养反应器植物细胞培养反应器 植物细胞培养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、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，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。并以此发展起来的各种植物细胞培养技术。现在学习的是第三十六页，共62页 表表 植物细胞培养和从完整的植物植物细胞培养和从完整的植物 生产紫草宁的比较生产紫草宁的比较生产方式生产方式收获时间收获时间紫草宁浓度紫草宁浓度（%干重）干重）完整植物完整植物2-3年年1-2植物细胞植物细胞培养培养21天天14现在学习的是

19、第三十七页，共62页现在学习的是第三十八页，共62页现在学习的是第三十九页，共62页 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 细胞块的形状细胞块的形状 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和光照和光照现在学习的是第四十页，共62页 植物细胞培养具有的优点：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）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改变培养条件和选择

20、优良培养体系得到超整株植物产量的代谢产物；产物；（2）培养在无菌条件下进行，可排除病菌和虫害侵扰；）培养在无菌条件下进行，可排除病菌和虫害侵扰；（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）可以探索新的合成路线和获得新的有用物质等。）可以探索新的合成路线和获得新的有用物质等。植物细胞培养植物细胞培养(plant cell culture)现在学习的是第四十一页，共62页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器流化床反应器填充床反应器固定化细胞培养反应器植物细胞培养反应器植物细胞培养反应器现在学习的是第

21、四十二页，共62页Stirred Tank Bioreactors一、机械搅拌悬浮培养生物反应器一、机械搅拌悬浮培养生物反应器优点：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：缺点：剪切力大。现在学习的是第四十三页，共62页气体搅拌悬浮培养生物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。 二、气体搅拌悬浮培养生物反应器二、气体搅拌悬浮培养生物反应器 Air inletGas outletCulture mediumSieve plateBubble Column Bioreactor现在学习的是第四十四页，共62页Air-l

22、ift Bioreactor气体搅拌反应器常见问题气体搅拌反应器常见问题（1 1）不易染菌，但气体通）不易染菌，但气体通入量大，动力消耗大否入量大，动力消耗大否则容易有死角，不均匀。则容易有死角，不均匀。（2 2）过量通气会驱除）过量通气会驱除COCO2 2和和乙烯，阻碍细胞生长，乙烯，阻碍细胞生长，同时还会对次级代谢物同时还会对次级代谢物的产生不利。的产生不利。（3 3） 气泡较大、气速较高气泡较大、气速较高时，湍流剪切力较大。时，湍流剪切力较大。现在学习的是第四十五页，共62页三、流化床固定培养生物反应器三、流化床固定培养生物反应器n特点特点：利用流体的能量来利用流体的能量来悬浮颗粒。悬浮

23、颗粒。 流化床反应器流化床反应器进口出口现在学习的是第四十六页，共62页n优点：优点：小颗粒传质特性良好。小颗粒传质特性良好。n缺点：缺点：剪切力和颗粒碰撞会损坏固定化细胞。剪切力和颗粒碰撞会损坏固定化细胞。现在学习的是第四十七页，共62页 膜固定化是采用具有一定孔径和膜固定化是采用具有一定孔径和选择透选择透性性的膜固定植物细胞。营养物质可以通的膜固定植物细胞。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。谢产物通过膜释放到培养液中。 膜反应器主要有膜反应器主要有中空纤维中空纤维反应器和反应器和螺旋螺旋卷绕反应器卷绕反应器。四、膜

24、反应器四、膜反应器现在学习的是第四十八页，共62页中空纤维中空纤维螺旋卷绕反应器螺旋卷绕反应器现在学习的是第四十九页，共62页 螺旋卷绕螺旋卷绕 特点特点: 流体力学流体力学易于控制易于控制, 易于易于放大放大, 但制造成但制造成本较高本较高. 现在学习的是第五十页，共62页化学偶联酶酶固定化固定化间歇间歇可溶可溶交联包埋吸附间歇间歇连续连续第三节第三节 酶反应器现在学习的是第五十一页，共62页一、常见的酶反应器类型 按使用酶的种类分游离酶反应器（均相酶催化反应器）固定化酶反应器（非均相酶催化反应器） 按结构结构区分搅拌罐式反应器流化床式反应器固定床酶反应器膜反应器 按操作方式操作方式区分间歇

25、（分批）式反应连续式反应半连续式式反应 现在学习的是第五十二页，共62页二、游离酶反应器游离酶反应器1搅拌罐式反应器搅拌罐式反应器(stirred tank reactor，STR) 其结构如下：其结构如下：现在学习的是第五十三页，共62页 其基本结构由容器、搅拌器及保温装置其基本结构由容器、搅拌器及保温装置组成。有时也可在容器壁上装上挡板，组成。有时也可在容器壁上装上挡板，以促进反应物的混合。以促进反应物的混合。 设备简单，操作容易，传质阻力较小，设备简单，操作容易，传质阻力较小，酶与底物混合较均匀，反应后酶难于回酶与底物混合较均匀，反应后酶难于回收收现在学习的是第五十四页，共62页三、固定化酶反应器三、固定化酶反应器1搅拌罐型反应器搅拌罐型反应器 搅拌罐型反应器可分为分批搅拌罐式反应器(batch stirred tank reactor，BSTR)和连续流搅拌罐式反应器(continuous flow stirred tank reactor，CSTR)。如图所示：现在学习的是第五十五页，共62页2固定床式反应器固定床式反应器 固定床式反应器固定床式反应器(packed column rea