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1、 上课了！第四章 植物细胞（组织）和 动物细胞培养反应器n n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n n一。植物细胞培养过程的特点一。植物细胞培养过程的特点n n二。植物细胞培养反应器二。植物细胞培养反应器n n三。植物组织培养及反应器三。植物组织培养及反应器n n第二节第二节 动物细胞培养反应器动物细胞培养反应器n n一。动物细胞培养法一。动物细胞培养法n n二。细胞培养的操作方式二。细胞培养的操作方式n n三。动物细胞大规模培养反应器三。动物细胞大规模培养反应器n n四。动物细胞大规模培养技术的应用四。动物细胞大规模培养技术的应用n n第三节第三节 微藻培养反
2、应器微藻培养反应器n n一。微藻生物技术的优越性一。微藻生物技术的优越性n n二。微藻大规模培养的特点二。微藻大规模培养的特点n n三。微藻大规模培养反应器三。微藻大规模培养反应器前言：前言：n n进行植物细胞培养技术研究的原因：n n一）植物是人类赖以生存的前提一）植物是人类赖以生存的前提n n 是人类食物，药品，香料，色素的来源是人类食物，药品，香料，色素的来源n n二）人口过度增长和对植物药的掠夺造成植物药二）人口过度增长和对植物药的掠夺造成植物药天然资源的匮乏天然资源的匮乏n n 植物细胞培养技术可解决植物细胞培养周期长的矛盾植物细胞培养技术可解决植物细胞培养周期长的矛盾n n广义的植
3、物细胞培养技术包括：广义的植物细胞培养技术包括：n n 植物器官植物器官（根，枝叶，发根，胚和冠缨组织等），（根，枝叶，发根，胚和冠缨组织等），组组织，细胞和原生质培养织，细胞和原生质培养，并以此发展起来的各种，并以此发展起来的各种组织细胞组织细胞培养技术培养技术n n植物细胞培养反应器的研制将和不同植物的不同生理，代植物细胞培养反应器的研制将和不同植物的不同生理，代谢方式相关，不同培养方式相关谢方式相关，不同培养方式相关Gottleib Haberlandt 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。H
4、aberlandt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。1。植物细胞培养液的性质n n植物细胞比微生物细胞要大很多植物细胞比微生物细胞要大很多n n烟草细胞比微生物细胞要大烟草细胞比微生物细胞要大5010050100倍倍n n 细胞体积大约膨大细胞体积大约膨大10105 510106 6倍倍n n 细胞在培养液中体积将膨大细胞在培养液中体积将膨大40%50%40%50%n n细胞培养时，细胞形态将发生明显变化细胞培养时，细胞形态将发生明显变化n n 间歇培养的初期
5、，多半是较大的游离细胞间歇培养的初期，多半是较大的游离细胞n n 再由较大的细胞分裂成一个个较小的细胞再由较大的细胞分裂成一个个较小的细胞n n 较小的细胞聚集成细胞块较小的细胞聚集成细胞块n n 生长停止后，细胞伸长，涨大，块状细胞游离分散生长停止后，细胞伸长，涨大，块状细胞游离分散n n植物细胞培养液黏度随细胞浓度增加而显著上升植物细胞培养液黏度随细胞浓度增加而显著上升剪切应力和剪切速率之间的关系如下：剪切应力和剪切速率之间的关系如下：剪切应力和剪切速率之间的关系如下：剪切应力和剪切速率之间的关系如下：n n式中：式中：M-M-转矩转矩 k k粘度系数粘度系数 a-a-常数常数n n W-
6、W-旋转黏度计转子的转速旋转黏度计转子的转速 n-n-流动指数流动指数n n例子：烟草细胞例子：烟草细胞n n 培养条件为培养条件为30L30L反应器（装液量反应器（装液量22L22L）转速）转速50r/min50r/minn n 通气量通气量17L/min17L/min，定时测培养液的粘度，发现，定时测培养液的粘度，发现n=0.670.74n=0.670.74n n说明：该发酵液为拟朔性流体，非牛顿流体说明：该发酵液为拟朔性流体，非牛顿流体n n k k值随培养过程缓慢增加，但不一定与细胞量成比例值随培养过程缓慢增加，但不一定与细胞量成比例n n2。植物细胞培养中的传递状态n n在植物细胞培
7、养过程中，氧的供应和传递也将影响产物的在植物细胞培养过程中，氧的供应和传递也将影响产物的有效生产和良好的经济效益有效生产和良好的经济效益n n通常植物细胞对氧的需求量要低很多，通常植物细胞对氧的需求量要低很多，k kla la值过大对细胞增值过大对细胞增殖未必有什么好处殖未必有什么好处n n原因：n n klakla值过大，氧传递速率过高值过大，氧传递速率过高，使培养细胞的主要挥发，使培养细胞的主要挥发性代谢产物，如性代谢产物，如COCO2 2被强制性除去被强制性除去而降低了细胞的增殖速而降低了细胞的增殖速度。从而导致细胞浓度降低。在度。从而导致细胞浓度降低。在klakla值高的操作条件下通入
8、值高的操作条件下通入一定量的一定量的COCO2 2对细胞量的增大是有效的对细胞量的增大是有效的植物细胞培养采用：悬浮培养悬浮培养 固定化细胞培养系统固定化细胞培养系统n n悬浮培养悬浮培养所用生物反应器：所用生物反应器：n n 机械搅拌机械搅拌反应器反应器n n 非机械搅拌非机械搅拌反应器反应器 n n固定化固定化细胞培养反应器：细胞培养反应器：n n 填充床填充床反应器反应器n n 流化床流化床反应器反应器n n 膜膜反应器反应器 n n1。悬浮培养生物反应器 n n1 1）机械搅拌式反应器）机械搅拌式反应器 Stirred Tank Bioreactors植物细胞培养反应器植物细胞培养反应
9、器机械搅拌式反应器机械搅拌式反应器优点：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。悬浮培养生物反应器优点：采用机械搅拌能使溶质均匀混合获得较高的采用机械搅拌能使溶质均匀混合获得较高的采用机械搅拌能使溶质均匀混合获得较高的采用机械搅拌能使溶质均匀混合获得较高的k klala(100h(100h-1-1)，植物细胞培养所需的，植物细胞培养所需的，植物细胞培养所需的，植物细胞培养所需的k klala值一般为值一般为值一般为值一般为520h520h-1-1n n存在问题：植物细胞壁对剪切的耐受能力差植物细胞壁对剪切的耐受能力差n n解决办法：适当解决办法：适当改进
10、的搅拌式反应器改进的搅拌式反应器n n1 1）TanakaTanaka认为浆形板搅拌器既能满足细胞溶氧又能满足认为浆形板搅拌器既能满足细胞溶氧又能满足 n n 剪切要求剪切要求n n2 2）KreisKreis认为平叶形搅拌器加挡板与气升式反应器相当认为平叶形搅拌器加挡板与气升式反应器相当n n3 3）大叶形，螺旋形等也有成功使用的报道）大叶形，螺旋形等也有成功使用的报道n n4 4）对细胞在搅拌式反应器上的长期驯化，能使细胞对剪）对细胞在搅拌式反应器上的长期驯化，能使细胞对剪切的耐受能力大大提高切的耐受能力大大提高n n2 2）非机械搅拌式反应器）非机械搅拌式反应器-气体搅拌式反应器气体搅拌
11、式反应器n n利用通入的空气作通气和搅拌的生物反应器利用通入的空气作通气和搅拌的生物反应器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分类：分类：鼓泡式反应器和气升式反应器鼓泡式反应器和气升式反应器鼓泡式反应器和气升式反应器鼓泡式反应器和气升式反应器 气升式气升式气升式气升式反应器又分为：反应器又分为：反应器又分为：反应器又分为：内循环和外循环两种形式内循环和外循环两种形式内循环和外循环两种形式内循环和外循环两种形式n n气升式反应器的特性：气升式反应器的特性：n n 流体动力学特性对流体动力学特性对k kla la的影响较小的影响较小n n 氧传递系数的变化主要取决于
12、单位体积气液表面积氧传递系数的变化主要取决于单位体积气液表面积n n 气液表面积又取决于气泡的大小和总气体持有量气液表面积又取决于气泡的大小和总气体持有量n n影响气泡大小的因素影响气泡大小的因素：n n 气体分布器设计，流型气体分布器设计，流型n n 培养基的聚集抑促特性培养基的聚集抑促特性n n气体持有量是气体占有体积与反应器总体积的分率气体持有量是气体占有体积与反应器总体积的分率n n常与界面气体速率有关，增加气体流速便增加了气体持有常与界面气体速率有关，增加气体流速便增加了气体持有量和量和k kla lan n但气体流速等问题受到泡沫等问题的限制，可通过改进反但气体流速等问题受到泡沫等
13、问题的限制，可通过改进反应器内部结构以促进氧传递应器内部结构以促进氧传递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 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Bubble 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缺点：缺点：搅拌强度较低时将影响培养物的混合，需大量通气搅拌强度较低时将影响培养物的混合，需大量通气搅拌强度较低时将影响培养物的混合，需大量通气搅拌强度较低时将影响培养物的混合，需大量通气输入动量
14、和能量。但过量的通气将易于驱除培养液中的输入动量和能量。但过量的通气将易于驱除培养液中的输入动量和能量。但过量的通气将易于驱除培养液中的输入动量和能量。但过量的通气将易于驱除培养液中的COCO2 2和乙烯，且过高溶氧对植物细胞合成次级代谢产物不利和乙烯，且过高溶氧对植物细胞合成次级代谢产物不利和乙烯，且过高溶氧对植物细胞合成次级代谢产物不利和乙烯，且过高溶氧对植物细胞合成次级代谢产物不利n n鼓泡式反应器的氧传递能力一般较大鼓泡式反应器的氧传递能力一般较大n n气升式反应器因流体不断循环而混合效果最佳气升式反应器因流体不断循环而混合效果最佳n n2 2。固定化细胞生物反应器。固定化细胞生物反应
15、器n n固定化植物细胞培养的固定化植物细胞培养的优点：优点：n n1 1）可克服植物细胞培养中细胞遗传和生理的高度不稳定）可克服植物细胞培养中细胞遗传和生理的高度不稳定性性n n2 2）防止因为）防止因为细胞间的不一致性细胞间的不一致性，而造成的在培养过程中，而造成的在培养过程中的高产细胞系出现的低产率和产生其他代谢产物的情况的高产细胞系出现的低产率和产生其他代谢产物的情况n n3 3）有利于）有利于消除和减弱流质流动所引起的切变力消除和减弱流质流动所引起的切变力n n4 4）细胞在一个限定的范围内生长可导致一定程度的分化）细胞在一个限定的范围内生长可导致一定程度的分化发育，发育，促进次级代谢
16、产物的产生促进次级代谢产物的产生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填充床反应器填充床反应器流化床反应器流化床反应器1 1）填充床反应器）填充床反应器细胞固定于支持物表面和内部，支持物颗粒堆叠成床，培养细胞固定于支持物表面和内部，支持物颗粒堆叠成床，培养细胞固定于支持物表面和内部，支持物颗粒堆叠成床，培养细胞固定于支持物表面和内部，支持物颗粒堆叠成床，培养基在床层中流动基在床层中流动基在床层中流动基在床层中流动n n缺点：n n1 1）床中单位体积细胞较多，混合效果不好）床中单位体积细胞较多，混合效果不好n n2 2）床内氧的传递，气体排出，温度和）床内氧的传递，气体排出，温度和PHPH控制较为困难。控制较为困难。3 3）支持物颗粒破碎还易使填充床堵塞）支持物颗粒破碎还易使填充床堵塞n n2 2）流化床反应器流化床反应器流化床反应器流化床反应器利用流体（液体或气体）的能量使支持物颗粒处于悬浮状态利用流体（液体或气体）的能量使支持物颗粒处于悬浮状态优点：优点：混合效果好混合效果好缺点：缺点：流体的切变力和固定化颗粒的碰撞常使支持物颗粒破流体的切变力和固定化颗粒的碰撞常
