植物細胞組織

植物細胞組織第一頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六

第一節(jié)植物細胞（組織）培養(yǎng)反應器第二頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六植物細胞（組織）培養(yǎng)反應器通常廣義的植物細胞培養(yǎng)技術包括植物器官、組織、細胞以及原生質(zhì)體培養(yǎng)，并以此發(fā)展起來的各種植物細胞培養(yǎng)技術。植物細胞（組織）培養(yǎng)反應器的研制是植物細胞培養(yǎng)技術向工業(yè)化規(guī)模發(fā)展的關鍵。第三頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六一、植物細胞培養(yǎng)過程的特點1．細胞培養(yǎng)液的性質(zhì)植物細胞要比微生物大得多。在細胞培養(yǎng)過程中，其細胞形態(tài)有明顯的變化。植物細胞培養(yǎng)液的粘度和微生物發(fā)酵液表現(xiàn)出明顯不同，它隨細胞濃度的增加而顯著上升。培養(yǎng)液為非牛頓型流體，屬擬塑性流體。

第四頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六2．植物細胞培養(yǎng)中的傳遞狀態(tài)氧傳遞的研究對于產(chǎn)物的有效生產(chǎn)和較好的經(jīng)濟效益是息息相關的。植物培養(yǎng)細胞的需氧量要比微生物深層培養(yǎng)低得多。第五頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六起始kLα和最終細胞濃度的關系（培養(yǎng)144h）

第六頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六二、植物細胞培養(yǎng)反應器

植物細胞培養(yǎng)主要采用懸浮培養(yǎng)和固定化細胞培養(yǎng)系統(tǒng)。懸浮培養(yǎng)所用生物反應器主要有機械攪拌反應器和非機械攪拌反應器。固定化細胞培養(yǎng)反應器有填充床反應器、流化床反應器和膜反應器等類型。第七頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六1．懸浮培養(yǎng)生物反應器（l）機械攪拌式反應器機械攪拌式反應器能獲得較高的kLα值（＞100h－1），而植物細胞培養(yǎng)所需的kLα值一般為5～20h－1

。一般認為機械攪拌式反應器應用于植物細胞培養(yǎng)存在的主要問題是植物細胞的細胞壁對剪切的耐受力差。從以往的研究來看，對攪拌器加以改進，可以減小攪拌過程中的剪切力，從而使攪拌式反應器能更廣泛地應用于植物細胞培養(yǎng)上。第八頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六20m3植物細胞培養(yǎng)裝置流程圖

第九頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六（2）非機械攪拌式反應器

通常為氣體攪拌式反應器，是一種利用通入的空氣作通氣和攪拌的生物反應器，主要有鼓泡式反應器和氣升式反應器，而氣升式反應器又可分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩種形式。第十頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六氣體攪拌式反應器

（a）鼓泡式反應器（b）內(nèi)循環(huán)氣升式反應器（c）外循環(huán)氣升式反應器第十一頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六

氣體攪拌式反應器（尤其是氣升式反應器）十分適于植物細胞生長與次級代謝產(chǎn)物的生成。氣體攪拌式反應器必須依靠大量通氣輸入動量和能量，以保證反應器內(nèi)培養(yǎng)液的良好傳質(zhì)、傳熱，并保證不出現(xiàn)死角。但過量的通氣同時也易于驅(qū)除培養(yǎng)液中的二氧化碳和乙烯，對細胞生長反而有阻礙作用，因而有時也需要降低氣體成分的傳質(zhì)系數(shù)。同時由于植物細胞的攝氧速率較低，過高的溶氧對植物細胞合成次級代謝產(chǎn)物不利。氣體攪拌式反應器第十二頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六

新疆紫草細胞培養(yǎng)流程（ALCROF反應器）

第十三頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六2．固定化細胞生物反應器

植物細胞培養(yǎng)的最大問題是培養(yǎng)中的細胞遺傳和生理的高度不穩(wěn)定性。固定化細胞培養(yǎng)可以在一定程度上克服這種傾向。固定化細胞系統(tǒng)也比懸浮培養(yǎng)更適合于植物細胞的培養(yǎng)。固定化細胞包埋于支持物內(nèi)，可以消除或極大地減弱流質(zhì)流動引起的切變力。便于連續(xù)操作。第十四頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六固定化細胞培養(yǎng)反應器的類型（1）填充床反應器（2）流化床反應器（3）膜反應器第十五頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六

填充床反應器示意圖

流化床反應器示意圖

第十六頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六幾種流化床反應器流程

用藻酸纖維固定化植物細胞的循環(huán)流化床反應器

第十七頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六

實驗用流化床生化反應器

第十八頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六

錐形流化床反應器

第十九頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六磁場流化床生化反應器

第二十頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六固定化細胞膜反應器示意圖

第二十一頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六

（a）中空纖維

(b)螺旋卷繞反應器第二十二頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六三、植物組織培養(yǎng)及反應器利用高度分化的植物器官、組織培養(yǎng)以提高目的產(chǎn)物含量的研究也日益引起人們的重視。在組織培養(yǎng)研究當中，大規(guī)模培養(yǎng)系統(tǒng)發(fā)展較為迅速的領域主要有以下幾種。

1．發(fā)狀根大規(guī)模培養(yǎng)

2.小植物的大規(guī)?？焖俜敝车诙摚擦豁?，編輯于2023年，星期六

流化床反應器培養(yǎng)黃花蒿發(fā)狀根的流程示意圖1.反應器2.空氣出口3.空氣入口4.空氣過濾器5.流量計6.空氣貯罐7.蠕動泵8.無菌水入口9.無菌水貯槽10.熒光燈第二十四頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六

淺層循環(huán)式植株快速繁殖器l.溫度傳感器2.出口管3.反應器體4.托板5.進口管6.排氣口7.空氣分布管8.溫度調(diào)節(jié)器

9.轉(zhuǎn)換器

第二十五頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六唐菖蒲原球莖培養(yǎng)流程圖

l.反應器2.蠕動泵3.培養(yǎng)液貯罐4.通氣口5.培養(yǎng)板

6.支架7.加液口8.出波口9.加液、取液口

第二十六頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六

培養(yǎng)馬鈴薯無菌芽的內(nèi)環(huán)噴霧生物反應器A.培養(yǎng)容器B.內(nèi)管C.轉(zhuǎn)能器D.超聲波發(fā)生器E.計時器F.液體培養(yǎng)基G.熒光燈H.支架I.不銹鋼網(wǎng)J.植物材料K.空氣出口L.空氣過濾器

第二十七頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六第二節(jié)動物細胞培養(yǎng)反應器應用細胞工程技術，建立大規(guī)模動物細胞培養(yǎng)系統(tǒng)生產(chǎn)各種生物活性物質(zhì)，是一種比較經(jīng)濟可靠的技術。具有代表性的有氣升式深層培養(yǎng)系統(tǒng)、微載體培養(yǎng)系統(tǒng)、微囊培養(yǎng)系統(tǒng)、大載體培養(yǎng)系統(tǒng)以及中空纖維培養(yǎng)系統(tǒng)。第二十八頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六一、動物細胞培養(yǎng)方法體外培養(yǎng)的動物細胞有兩種類型。一種是非貼壁依賴性細胞，可采用類似微生物培養(yǎng)的方法進行懸浮培養(yǎng)。另一種是貼壁依賴性細胞，它們需要附著于帶適量正電荷的固體或半固體表面上生長。第二十九頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六l.貼壁培養(yǎng)培養(yǎng)貼壁依賴性細胞，最初采用滾瓶系統(tǒng)VanWezel在1967年開發(fā)了微載體系統(tǒng)培養(yǎng)貼壁依賴性細胞。第三十頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六微載體系統(tǒng)培養(yǎng)動物細胞的優(yōu)點①表面積／體積比大。②微載體懸浮于培養(yǎng)基中，細胞生長環(huán)境均一，簡化了這些環(huán)境因素的監(jiān)測和控制。③培養(yǎng)基利用率高。④采樣重演性好。⑤收獲過程不復雜。⑥放大較容易。⑦勞動強度小，占用空間小。影響微載體培養(yǎng)的特殊因素有微載體濃度、接種濃度和攪拌轉(zhuǎn)速等。第三十一頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六2.懸浮培養(yǎng)所謂懸浮培養(yǎng)，是指細胞在培養(yǎng)器中自由懸浮生長的過程。主要用于非貼壁依賴性細胞培養(yǎng)。動物細胞的懸浮培養(yǎng)是在微生物發(fā)酵的基礎上發(fā)展起來的。由于動物細胞的特點，在許多方面又與經(jīng)典的發(fā)酵不同。懸浮培養(yǎng)的細胞密度較低，轉(zhuǎn)化細胞懸浮培養(yǎng)有潛在致癌危險，培養(yǎng)病毒易失去病毒標記而降低免疫能力。第三十二頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六3.固定化培養(yǎng)懸浮培養(yǎng)適用于非貼壁依賴性細胞，貼壁培養(yǎng)適用于貼壁依賴性細胞。包埋培養(yǎng)，對兩類細胞都適用，細胞生長的密度高，抗剪切力和抗污染能力強。對非貼壁依賴性細胞常用海藻酸鈣包埋，對貼壁依賴性細胞常用膠原包埋。第三十三頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六二、細胞培養(yǎng)的操作方式1.分批式操作2.流加式操作3.半連續(xù)式操作4.連續(xù)操作5.灌注培養(yǎng)第三十四頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六三、動物細胞大規(guī)模培養(yǎng)反應器1．通氣攪拌式細胞培養(yǎng)反應器根據(jù)動物細胞培養(yǎng)的特點，要求攪拌器轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的剪切力小，混合性能好。在已開發(fā)的各種形式攪拌器中，籠式通氣攪拌器基本上能符合上述要求。該裝置的主要特點是可以避免在向培養(yǎng)基中通氣時氣泡直接損傷細胞。同時在采用微載體系統(tǒng)培養(yǎng)時，微載體不會被由于通氣所產(chǎn)生的泡沫滯留在氣液界面中。第三十五頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六

Spier設計的籠式通氣攪拌器

第三十六頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六

CelliGen籠式通氣攪拌器

第三十七頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六Celligen細胞培養(yǎng)反應器

第三十八頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六2．氣升式動物細胞培養(yǎng)反應器和攪拌式生物反應器相比，氣升式反應器中產(chǎn)生的湍動溫和而均勻，剪切力相當小；反應器內(nèi)無機械運動部件，因而細胞損傷率比較低；反應器通過直接噴射空氣供氧，氧傳遞速率高；反應器內(nèi)液體循環(huán)量大，細胞和營養(yǎng)成分能均勻分布于培養(yǎng)基中。第三十九頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六1000L動物細胞培養(yǎng)流程圖

第四十頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六3．中空纖維細胞培養(yǎng)反應器

中空纖維細胞培養(yǎng)反應器在動物細胞培養(yǎng)方面用途較廣，既可培養(yǎng)懸浮生長的細胞，又可培養(yǎng)貼壁依賴性細胞。一般來說，中空纖維是用聚礬或丙烯的聚合物制成。管壁的厚度約50～75μm，直徑為200μm。管壁是半透膜。第四十一頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六中空纖維細胞培養(yǎng)反應器美國Endotronic公司生產(chǎn)的Acusyst－JtTM中空纖維培養(yǎng)系統(tǒng)①培養(yǎng)器體積小，細胞高密度生長；②濃縮產(chǎn)品；③產(chǎn)物純度高；④自動化程度高，細胞生長周期長。其缺點是由于中空纖維每次生產(chǎn)的消耗品價格尚貴，如果使用不當會增加生產(chǎn)成本。第四十二頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六中空纖維培養(yǎng)系統(tǒng)（Acysyst－JrTM）循環(huán)簡圖

第四十三頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六4．微囊培養(yǎng)系統(tǒng)微囊培養(yǎng)系統(tǒng)具有幾個特點：①細胞密度大；②產(chǎn)物單位體積濃度高；③分離純化操作經(jīng)濟簡便；④抗體活性、純度好。但微囊技術成功率一般只有50％左右，培養(yǎng)液用量大。囊內(nèi)部分死亡細胞對產(chǎn)物的污染。第四十四頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六

微囊技術操作過程圖解1.懸浮細胞膠狀液2.成滴器3.膠化小珠4.包被溶液5.顯微鏡下膠囊6.多孔微囊膜7.完成操作后的微囊第四十五頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六5．大載體系統(tǒng)大載體培養(yǎng)系統(tǒng)是一種新型的大規(guī)模培養(yǎng)細胞裝置，配有先進的主要部件，如溶解氧、pH測定以及培養(yǎng)液輸入和產(chǎn)物的收獲均由微機程控調(diào)節(jié)。該培養(yǎng)系統(tǒng)能連續(xù)生產(chǎn)3個月以上，已用于培養(yǎng)10多種有經(jīng)濟價值的細胞株，生產(chǎn)單克隆抗體和干擾素產(chǎn)品。我國于1987年引進上述大載體培養(yǎng)系統(tǒng)。第四十六頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六大載體系統(tǒng)的優(yōu)點①操作控制方便，可隨機取樣檢測；②附著細胞密度高；③消耗用品價格低廉，產(chǎn)物收獲量大，有明顯經(jīng)濟效益。但該系統(tǒng)不具有細胞分泌產(chǎn)物的濃縮裝置。第四十七頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六

Be11co大載體培養(yǎng)系統(tǒng)組裝簡圖

第四十八頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六6．微載體培養(yǎng)系統(tǒng)基本原理是利用固體小顆粒作為載體，細胞在載體的表面附著，通過連續(xù)攪拌懸浮于培養(yǎng)液中，并形成單層生長、繁殖。由于擴大了細胞的附著面，能充分利用生長空間和營養(yǎng)液，因此大大提高了細胞的生長效率和產(chǎn)量。第四十九頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六微載體培養(yǎng)系統(tǒng)的優(yōu)點①具有較高的表面積體積比；②生長環(huán)境均一，條件易于控制，放大容易；③兼具貼壁培養(yǎng)和懸浮培養(yǎng)的優(yōu)勢，而且是均相培養(yǎng)；④取樣和計數(shù)簡單；⑤細胞和培養(yǎng)液易分離；⑥大規(guī)模培養(yǎng)只需對微生物攪拌式或氣升式培養(yǎng)系統(tǒng)稍加改進即可；⑦適合于培養(yǎng)原代細胞、二倍體細胞株，它對生產(chǎn)重組產(chǎn)品來說是必不可少的有效方法。第五十頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六微載體培養(yǎng)系統(tǒng)微載體是由天然葡萄糖聚合物（葡聚糖）或者各種合成的聚合物組成的。其直徑由50μm到數(shù)百μm不等。近年來國外開發(fā)的微載體主要有液體為載體、大孔明膠微載體、聚苯乙烯微載體、甲殼質(zhì)微載體、聚酰胺泡沫為載體、藻酸鹽凝膠微載體、新型的外被膠原的聚尿烷泡沫載體、磁性微載體。第五十一頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六微載體培養(yǎng)系統(tǒng)

國際上微載體系統(tǒng)的研究開發(fā)，大體上沿著2個方向進行：①研究開發(fā)培養(yǎng)和收獲細胞的新工藝、新設備包括自控和監(jiān)測系統(tǒng)；②研制開發(fā)新型微載體。第五十二頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六微載體培養(yǎng)系統(tǒng)

第五十三頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六第三節(jié)微藻培養(yǎng)反應器一、微藻生物技術的優(yōu)越性（1）光能利用率高。（2）微藻無復雜的生殖器官，整個生物量易于收獲、加工和利用。（3）許多微藻經(jīng)誘導后可以產(chǎn)生特別高濃度的、有商品化生產(chǎn)價值的化合物。（4）微藻通常沒有有性階段，只有簡單的細胞分裂周期，能在數(shù)小時內(nèi)完成細胞循環(huán)。第五十四頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六二、微藻大規(guī)模培養(yǎng)的特點（1）微藻培養(yǎng)過程要有足夠的光照。（2）氣液傳遞：強化氧解析過程。（3）混合：在藻類培養(yǎng)過程中的混合除了具有促進氣液傳遞、液固傳遞，防止細胞沉降作用外，還必須使細胞在與反應器的表面垂直的方向上能充分混合，否則培養(yǎng)液中的細胞受光不均勻。（4）培養(yǎng)液性質(zhì)：培養(yǎng)基多采用海水配制第五十五頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六三、微藻大規(guī)模培養(yǎng)反應器微藻培養(yǎng)用反應器要能提供以下條件：①足夠的光照。②合適的溫度。③合適的無機碳源（及其他無機營養(yǎng)物質(zhì)）。④合適的PH。⑤充分混合。⑥避免污染。⑦氧的析出或供給。第五十六頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期六微藻大規(guī)模培養(yǎng)反應器敞開式培養(yǎng)反應器封閉式光生物反應器第五十七頁，共六十一頁，編