-第七章-生物反应器--细胞培养.ppt
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发酵机械与设备,徐明芳博士教授暨南大学生科院2015-11-13,目录,绪论第一篇生物质原料处理设备第二篇生物反应设备第三篇产物分离设备第四篇其他设备,底物,生物反应器,检测控制仪表,培养基,(灭菌),经加工原料,酶,细胞,生物催化剂(游离或固定化),机械能,除菌,空气,产品提取纯化,副产品产品废物,热能,原材料,营养物,典型工业生物技术过程,核心技术?
第一篇生物质原料处理设备,第一章生物质原料预处理设备第二章生物细胞培养基制备设备第三章生物培养基灭菌设备第四章原料(物料)输送设备,第二篇生物反应设备,第一节发酵设备概述第二节通风发酵罐结构与工作原理第三节自吸式发酵罐结构与工作原理第四节气升式发酵罐(ALR)结构与工作原理,第五章生物反应器通风搅拌发酵罐,第六章厌氧(嫌气)发酵设备,第一节酒精发酵设备第二节啤酒发酵设备第三节连续发酵设备,第二篇生物反应设备,第七章生物反应器细胞培养反应器第一节植物细胞反应器第二节动物细胞反应器第三节微藻培养反应器,第六章厌氧(嫌气)发酵设备,第五章生物反应器通风搅拌发酵罐,底物,生物反应器,检测控制仪表,培养基,(灭菌),经加工原料,酶,细胞,生物催化剂(游离或固定化),机械能,除菌,空气,产品提取纯化,副产品产品废物,热能,原材料,营养物,典型工业生物技术过程,核心技术?
思考题,1、有几种植物细胞(组织)培养的类型与特点2、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?
4、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?
5、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7、有哪两种动物细胞培养方法?
其特点?
8、动物细胞培养可生产的生物制品?
9、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11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?
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,并以此发展起来的各种植物细胞培养技术。
第一节植物细胞培养,第一节植物细胞(组织)培养反应器,1植物细胞(组织)培养2植物细胞培养反应器3植物组织培养反应器,GottleibHaberlandt,1902年德国植物学家Haberlandt在营养液中成功地培育了单个植物细胞,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“全能性”学说,植物细胞的全能性:
植物的体细胞具有母体植株全部遗传信息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,经离体培养再生成植株。
一般采用植物的体细胞(二倍体细胞),先经纤维素酶处理去掉细胞壁(原生质体)。
将原生质体放在合适的培养基上,经过诱导分化可以重新长成植株。
原生质体也可用于植物细胞融合,然后诱导形成新的植株。
原生质体培养,1植物细胞(组织)培养-
(1)植物原生质体培养,1植物细胞(组织)培养-
(2)植物组织培养(planttissueculture),植物组织培养:
离体的植物器官、组织、细胞,脱分化:
由高度分化的植物器官、组织或细胞产生愈伤组织的过程,称为植物细胞的脱分化。
再分化:
脱分化产生的愈伤组织继续进行培养又可以重新分化成根或芽等器官,这一过程称为植物细胞的再分化。
植物组织培养,1植物细胞(组织)培养-(3)植物体细胞杂交,植物细胞培养与微生物的区别:
细胞的大小大细胞块的形状易成快培养液的黏度-需氧量Kla值比微生物培养的Kla值小得多对剪切力敏感需CO2和光照,2植物细胞培养(plantcellculture),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产物;
(2)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;(4)可以探索新的合成路线和获得新的有用物质等。
2植物细胞培养(plantcellculture),2植物细胞培养反应器,StirredTankBioreactors,2植物细胞培养反应器,
(1)机械搅拌式反应器,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。
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中,反应器内的温度、pH、溶氧及营养物质浓度较其他反应器更易控制等优点,但由于机械搅拌造成的剪切力以对植物细胞造成较大的损伤,对次级代谢产物的合成也会产生影响,同时会带来染菌和机械上的问题,因此需筛选出抗剪切力的细胞系,也可对反应器结构进行改造,尤其是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。
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,机械搅拌式反应器,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,2植物细胞培养反应器,
(2)非机械搅拌式反应器-气升式,BubbleColumnBioreactor,植物细胞培养反应器,非机械搅拌式反应器,Air-liftBioreactor,植物细胞的培养比较多地采用各种非机械搅拌生物反应器,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,在很大程度上减少了剪切力,并能在长期操作中保持无菌。
气体搅拌生物反应器包括鼓泡塔和气升式反应器等。
气体搅拌生物反应器结构较简单,氧传递效率高,剪切力低,对细胞的损伤小,容易实现长期无菌培养,较适用于植物细胞培养。
缺点:
操作弹性小,低气速时尤其在培养后期细胞密度较高时,混合效果较差。
如果提高通气量,又会产生大量泡沫,也易于驱除培养液中的二氧化碳和乙烯,对细胞生长有阻碍作用。
过高的溶氧对植物细胞合成次级代谢产物不利。
植物细胞培养反应器,紫草细胞培养,紫草种子,利用“优势互补”原则,将两种反应器结合起来研究出组合式反应器。
带有低速搅拌的气升式发酵罐可弥补低气速时混合性差的弱点。
植物细胞培养反应器,(3)组合式反应器,光生物反应器,植物细胞培养反应器,固定化细胞生物反应器,(4)填充床反应器,(5)流化床反应器,细胞可以位于支撑物表面,也可包埋于支撑物之中,培养液流经支撑物颗粒,不断被细胞利用。
优点:
单位体积固定细胞量大。
缺点:
混合效果低,对必要的氧传递、pH、温度控制和气体产物的排除造成困难,影响细胞的培养。
利用液体的能量来悬浮颗粒。
颗粒呈流化状态所需的能量与颗粒大小成正比,因此常采用小固定化颗粒,这些小颗粒良好的传质特性是流化床反应器的优点,缺点:
剪切力和颗粒碰撞会损坏固定化细胞。
植物细胞培养反应器,流化床反应器,植物细胞培养反应器,流化床反应器,植物细胞培养反应器,(6)固定化细胞膜反应器,中空纤维,螺旋卷绕反应器,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。
主要有:
中空纤维反应器和螺线式卷绕反应器,优点:
可以重复使用,3植物组织培养反应器,发状根大规模培养,植物组织培养反应器,
(1).小植物的大规模快速繁殖,浅层循环式植株快速繁殖器,双层板径向流生物反应器,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,4植物细胞培养的应用,
(1)西洋参细胞培养,无菌根,愈伤组织,悬浮细胞,发酵液,乙醇消毒,诱导培养,悬浮培养,大量培养,西洋参根,细胞,过滤,西洋参细胞干粉成品,干燥,植物细胞的生产流程与应用,
(2)药物的生产,紫草种子,无菌幼根,愈伤组织,悬浮细胞,细胞增殖培养,LS培养基,诱导培养,悬浮培养,一级培养,产物培养,二级培养,发酵液,细胞收集,过滤,产物提取,分离,成品,干燥,紫草细胞培养生产紫草宁(Shikonin),植物细胞培养的应用,(3)代谢产物的生产,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,缩短生产周期、降低生产成本提高培养细胞中的有效成分含量防止细胞集聚成块防止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,第二节动物细胞融合,1、动物细胞培养,将动物组织或细胞从机体取出,分散成单个细胞,给予必要的生长条件,模拟体内生长环境,使其在体外继续生长和繁殖。
根据生物反应器的不同用途,有悬浮培养、贴壁培养、包埋培养用生物反应器等。
种类上大致有塑料袋增殖器、填充床增殖器、多层板增殖器、螺旋膜增殖器、桨式搅拌反应器、棒式搅拌反应器、船舶推进桨搅拌反应器、倾斜桨叶搅拌反应器、船帆形搅拌反应器、往复振动锥孔筛板搅拌反应器、笼式通气搅拌反应器、双层笼式通气搅拌反应器、空气提升式反应器等。
表示为某些生物反应器的主要特性。
杂交瘤技术,动物细胞培养反应器,1动物细胞培养方法2动物细胞培养技术的应用3动物细胞培养的特点4细胞培养的操作方式5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Hela、Vero、BHK、CHO细胞系。
悬浮型细胞在培养中悬浮生长。
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。
1动物细胞培养方法,1动物细胞培养方法,
(1)贴壁培养(单层细胞培养)分散的细胞悬浮在培养瓶中很快(几十分钟至几小时)就贴附在瓶壁上,称为细胞贴壁,贴壁后的细胞形态形成多态性,呈单层生长,所以此法又叫单层细胞培养。
(2)悬浮培养细胞在培养器中自由悬浮生长的过程,不贴壁,主要用于悬浮型细胞培养,如淋巴细和肿瘤细胞的培养。
(3)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。
1动物细胞培养方法,动物细胞培养可生产的生物制品1.病毒疫苗:
口蹄疫(FMD)、狂犬疫苗等2.非抗体免疫调节剂:
干扰素(IFN)、白介素(IL)等3.多肽生长因子:
神经生长因子(NGF)、成纤维细胞生长因子(FGF)4.酶:
组织血纤维溶酶原激活剂(t-PA)5.激素:
红细胞生成素(EPO)、促黄体生成素(LH)6.病毒杀虫剂7.肿瘤特异性抗原:
癌胚抗原(CEA)8.单克隆抗体9.皮肤重植10.细胞,2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,杂交瘤技术,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;2.动物细胞较微生物大得多,无细胞壁,机械强度低,适应环境能力差;3.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;5.培养过程产物分布于细胞内外,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;7.原代培养细胞一般繁殖50代即退化死亡。
3动物细胞培养的特点,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,4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,流加式操作,半连续式操作,4细胞培养的操作方式,能够调节培养环境中营养物质的浓度。
5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剪切力小、混合性能好的特点开发出来的生物反应器。
主要有Spier笼式通气搅拌生物反应器、CelliGen笼式通气搅拌生物反应器和CellCul-20双层笼式通气搅拌生物反应器,动物细胞培养反应器,通气搅拌式细胞培养反应器,动物细胞培养反应器,通气搅拌式细胞培养反应器,Spier笼式通气搅拌生物反应器,特点可以避免在向培养基中通气时气泡直接损伤细胞;在采用微载体系培养时,微载体不会被由于通气所产生的泡沫囊夹在气液界面;通过一个多孔的通气装置在笼内通气以满足培养时溶氧的需要。
在鼓泡通气过程中所采用的泡沫经管道进入液面上部的由不锈钢丝网制成的笼式消泡腔内,泡沫经丝网破碎分散气、液两部分,达到深层通气而避免产生泡沫的结果。
动物细胞培养反应器,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。
CelliGen笼式通气搅拌生物反应器的通气装置是将笼式通气搅拌装置改为笼式的通气腔和笼式的消泡腔。
动物细胞培养反应器,气升式细胞培养反应器,气升式培养系统的优点:
没有移动部件;完全密封;便于无菌操作;设计简单;便于放大生产;氧的转换率高。
动物细胞培养反应器,通气搅拌式细胞培养反应器,动物细胞培养反应器,气升式细胞培养反应器,动物细胞培养反应器,细胞培养流程,动物细胞培养反应器,中空纤维细胞培养反应器,动物细胞培养反应器,中空纤维细胞培养反应器,优点:
培养体积小,细胞高密度生长;有浓缩产品的功能;产物纯度高;自动化程度高,细胞生长周期长。
缺点:
中空纤维价格昂贵,生产成本高。
动物细胞培养反应器,微囊细胞培养反应器,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,微载体细胞培养反应器,动物细胞培养反应器,微载体细胞培养反应器,悬浮培养瓶,悬浮培养装置,动物细胞培养反应器,微载体细胞培养反应器,动物细胞培养反应器,微载体细胞培养反应器,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;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;培养基的利用率高;采样重演性好;收获过程简单;放大较容易;劳动强度小,占用空间小。
动物细胞培养反应器,微载体细胞培养反应器,动物细胞培养反应器,大载体细胞培养反应器,优点:
操作控制简单,可随机取样检测;人工增加附着细胞密度高;消耗用品价格低廉,产物收率高;,活体生物反应器,转基因植物生物反应器,应用生产糖类物质:
淀粉等生产可降解生物塑料的原料:
PHA、PHB生产蛋白质和多肽,转基因动物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膀胱生物反应器,转基因牛,活体生物反应器,第三节微藻培养反应器,微藻中蛋白质含量高,且富含各种维生素,多不饱和脂肪酸、生物多糖、矿物质等,具有抗肿瘤、防治心血管疾病等生理活性。
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,微藻培养反应器,微藻生物技术的优点:
(1)光能利用率高;
(2)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;(4)细胞分裂周期短。
微藻大规模培养的特点:
(1)需要足够的光照;
(2)需要供应大量的CO2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;(4)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,微藻培养反应器应有条件:
(1)足够的光照;
(2)合适的温度;(3)合适的无机碳源及其他无机营养物质;(4)合适的pH;(5)充分混合;(6)避免污染;(7)氧的析出或供应;,微藻培养反应器,微藻培养反应器敞开式培养反应器,优点:
成本低、建造容易、操作简单、易于生产。
缺点:
培养效率低、培养条件无法控制、易受污染、水分易蒸发、光能利用率低。
微藻培养反应器,微藻培养反应器密闭式培养反应器,优点:
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。
微藻培养反应器,微藻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:
(1)高光照比表面积;
(2)较高的气体交换效率;(3)适合的循环方式;(4)改善光的传播途径、分配和质量;(5)防治有害次生代谢的积累;(6)较易实现培养条件的优化;(7)尽量降低生产成本。
微藻培养反应器,微藻培养反应器管道式光培养反应器,微藻培养反应器,微藻培养反应器浅层溢流光培养反应器,之其他类型发酵罐,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,之其他类型发酵罐,其他类型通风发酵罐,卧式转盘发酵反应器,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,
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- 第七 生物反应器 细胞培养