植物细胞生物反应器类型及特点
生物反应器
生物反应器指以活细胞或酶为生物催化剂进行细胞增殖或生化反应提供适宜环境的设备，它是生物反应过程中的关键设备。
生物反应器的结构、操作方式和操作条件的选定对生物化工产品的质量、收率（转化率）和能耗有密切关系。
生物反应器的设计、放大是生化反应工程的中心内容，也是生物化学工程的重要组成部分。
分类从生物反应过程说，发酵过程用的反应器称为发酵罐；酶反应过程用的反应器则称为酶反应器。
另一些专为动植物细胞大量培养用的生物反应器，专称为动植物细胞培养装置。
发酵罐发酵罐若根据其使用对象区分，可有：嫌气发酵罐、好气发酵罐、污水生物处理装置等。
其中嫌气发酵罐最为简单，生产中不必导入空气，仅为立式或卧式的筒形容器，可借发酵中产生的二氧化碳搅拌液体。
若以操作方式区分，有分批操作和连续操作两种。
前者一般用釜式反应器，后者可用连续搅拌式反应器或管式及塔式反应器。
好气发酵罐按其能量输入方式或作用原理区分，可有：①具有机械搅拌器和空气分布器的发酵罐这类发酵罐应用最普遍，称为通用式发酵罐。
所用的搅拌器一般为使罐内物料产生径向流动的六平叶涡轮搅拌器，它的作用为破碎上升的空气泡和混合罐内的物料。
若利用上下都装有蔽板的搅拌叶轮，搅拌时在叶轮中心产生的局部真空,以吸入外界的空气,则称为自吸式机械搅拌发酵罐。
②循环泵发酵罐用离心浆料泵将料液从罐中引出，通过外循环管返入罐内。
在循环管顶端再接上液体喷嘴，使之能吸入外界空气的,称喷射自吸发酵罐。
③鼓泡塔式发酵罐以压缩空气为动力进行液料搅拌，同时进行通气的气升发酵罐。
目前，世界所发展的大型发酵罐是英国卜内门化学工业公司的发酵罐，它以甲醇为原料生产单细胞蛋白的压力循环气升发酵罐,其直径为7m，高为60m，总容量为 2300m□，自上至下有5000～8000个喷嘴进料。
目前，还有些发酵产品，如固体曲等，使用专门设计的能调节温、湿度的旋转式固体发酵装置。
生产甲烷（沼气）用的是嫌气发酵罐，也称消化器或沼气发生器，这种发酵罐装有搅拌器，顶部有的有浮顶。
转基因动植物生物反应器 综述
转基因动植物生物反应器生物技术1002摘要:生物反应器，指以活细胞或酶为生物催化剂进行细胞增殖或生化反应提供适宜环境的设备，它是生物反应过程中的关键设备。
随着转基因技术问世,生物反应器不再局限于传统“冷冰冰”的设备，而是富有生命特性的动植物。
动植物生物反应器指的是通过基因工程途径以常见的农作物或者活体动物，高效表达某种器官或组织，进行工业化生产功能蛋白等生物制剂。
本文为大家阐述了转基因动植物反应器的优缺点，研究进展及其应用。
关键词:转基因动物反应器，转基因植物反应器，优缺点，研究进展，应用一、转基因动植物生物反应器的优缺点1.1转基因动物生物反应器的优点1易养殖，实现大规模制备。
2通过乳腺和血液制备活性物质简单易行。
3可以通过动物细胞培养实现大量制备。
4产量高，转基因动物在每升乳汁中可得几十克产物，而转基因植物，微生物在每升培养液中只能获得几毫克。
5成本低，用细菌、酵母菌或动物细胞生产基因工程药物，反应条件要求严格，而转基因动物只需要正常饲养。
6用于转基因动物制药的受体牛、羊、猪等哺乳动物，与人类亲缘关系比细菌、酵母菌要近的多，所以其产品具有与人体自身产生的蛋白相同的生物学活性川。
7用转基因动物培植活体器官和组织，用于更替人体患病的器官和组织。
1.2转基因动物生物反应器的缺点1细胞培养需要昂贵的培养基和设备。
2转基因动物制备成本昂贵。
3转基因动物易产生一些伦理问题。
4目前转基因动物的研究存在理论基础薄弱、技术不完善等问题"使得转入的基因在受体动物基因组中存在着随机整合、调节失控、遗传不稳定、表达率不高等问题。
为确保转入的基因能得到高效表达并完全整合，关键是基因构建和位点整合。
5转基因表达产物的分离与纯化也存在问题，可能会出现要纯化的产物含量低的现象，还要确保去除引起人类变态反应的非人类蛋白。
6转基因表达产物的结构和生物活性是否与人体蛋白相似#转基因产品必须与人体产生的蛋白高度相似，以免人体对它产生免疫反应。
生物技术制药 第二版 课后思考题及答案(全)
1. 生物技术制药分为哪些类型？生物技术制药分为四大类：（1）应用重组DNA技术(包括基因工程技术、蛋白质工程技术)制造的基因重组多肽，蛋白质类治疗剂。
（2）基因药物，如基因治疗剂，基因疫苗，反义药物和核酶等（3）来自动物、植物和微生物的天然生物药物（4）合成与部分合成的生物药物2．生物技术制药具有什么特征？（1）分子结构复杂（2）具有种属特异性（3）治疗针对性强，疗效高（4）稳定性差（5）基因稳定性（6）免疫原性（7）体内的半衰期短（8）受体效应（9）多效性（10）检验的特殊性3.生物技术制药中有哪些应用？应用主要有：（1）基因工程制药：包括基因工程药物品种的开发，基因工程疫苗，基因工程抗体，基因诊断与基因治疗，应用基因工程技术建立新药的筛选模型，应用基因工程技术改良菌种，产生新的微生物药物，基因工程技术在改进药物生产工艺中的应用，利用转基因动植物生产蛋白质类药物（2）细胞工程制药：包括单克隆抗体，动物细胞培养，植物细胞培养生产次生代谢产物（3）酶工程制药（4）发酵工程制药4.基因工程药物制造的主要程序有哪些？基因工程药物制造的主要步骤有：目的基因的克隆，构造DNA重组体，构造工程菌，目的基因的表达，外源基因表达产物的分离纯化产品的检验5.影响目的的基因在大肠杆菌中表达的因素有哪些？（1）外源基因的计量（2）外源基因的表达效率：a、启动子的强弱 b、核糖体的结合位点 c、SD序列和起始密码的间距 d、密码子组成（3）表达产物的稳定性（4）细胞的代谢付荷（5）工程菌的培养条件6.质粒不稳定分为哪两类，如何解决质粒不稳定性？质粒不稳定分为分裂分为分裂不稳定和结构不稳定。
质粒的分裂不稳定是指工程菌分裂时出现一定比例不含质粒的子代菌的现象；质粒的结构不稳定是DNA从质粒上丢失或碱基重排，缺失所致工程菌性能的改变。
提高质粒稳定性的方法如下：（1）选择合适的宿主细菌2）选择合适的载体（3）选择压力（4）分阶段控制培养（5）控制培养条件（6）固定化7.影响基因工程菌发酵的因素有哪些？如何控制发酵的各种参数？影响因素：（1）培养基（2）接种量（3）温度（4）溶解氧（5）诱导时机的影响（6）诱导表达程序（7） PH值8.什么是高密度发酵？影响高密度发酵的因素有哪些？可采取哪些方法来实现高密度发酵？高密度发酵：是指培养液中工程菌的菌体浓度在50gDCW/L以上，理论上的最高值可达200gDCW/L 影响因素：（1）培养基（2）溶氧浓度（3）PH (4)温度（5）代谢副产物实现高密度发酵的方法：（1）改进发酵条件：a、培养基 b、建立流加式培养基 c、提高供养能力（2）构建出产乙酸能力低的工程菌宿主菌：a、阻断乙酸产生的主要途径 b、对碳代谢流进行分流 c、限制进入糖酵解途径的碳代谢流 d、引入血红蛋白基因（3）构建蛋白水解酶活力低的工程化宿主菌9.分离纯化常用的色谱分离方法有哪些?它们的原理是什么?方法有离子交换色谱、疏水色谱、反相色谱、亲和色谱、凝胶过滤色谱及高压液相色谱。
生物反应器的原理及类型
2、宏观流体和微观流体
习惯上人们把具有不同停留时间的物料颗粒之间的混合称为 返混，也有人将这种混合称为宏观混合。它由停留时间分布 来表征。同时，还有另外一种混合，用于描述物料在反应器 内流动时的聚集状态。这种混合又称为微观混合。
宏观流体即流体中分子聚集成团块流体，这些流体粒子之间 不发生任何物质交换，各个粒子都是孤立的、各不相干的， 它们之间不产生混合。这种状态又称为完全离析的状态。在 实际流动中，不聚并的液滴、固体粒子及非常粘稠的液体等 均可认为是宏观流体。
牛顿型流体 ：符合牛顿黏性定律的流体
当n=1，τ0=0 τ=μγ（牛顿黏性定律）
非牛顿型流体（ τ与γ 之比不是常数）根据其比值不同又可 分为以下几类：
A、宾汉（Bingham）塑性流体
τ=τ0+μγ
（τ<τ0时，流体不流动，流动曲线为不过原点的直线）
例如：黑曲霉，产黄青霉，灰色链霉菌等丝状菌发酵液
如果培养物受氧限制，生长量就与氧传递量相关。在分 批培养中，菌丝体浓度增加，氧传递速率降低，生长速 率很快减慢到零。在受氧限制的连续培养中，由于单位 培养基中氧传递的总量随滞留时间的降低而降低，在高 的稀释率下，菌丝体浓度下降。为了克服氧限制在工业 发酵中的影响，可加水稀释发酵液，从而降低黏度，增 加氧传递速度。
四、剪切力对生物反应的影响
1、剪切 剪切力是单位面积流体上的切向力，剪切力的单位为
N/m2或Pa。 剪切是设计和放大生物反应器的重要参数。在生物过程
中，严格地讲，对细胞的剪切作用泛指作用于细胞表面， 且与细胞表面平行的力，但由于发酵罐中水力学情况非 常复杂，一般剪切力指影响细胞的各种机械力的总称。
微观流体即流体中的分子不与近邻的分子附着而独立流动， 此时物料粒子之间发生的混合是在分子尺度上进行的，如果 反应器中完全不存在宏观流体时，称此状态为微观混合达到 最大，或称最大微观混合。介于上两者之间的称为部分离析 或不完全微观混合，即两者并存于体系之中。
生物反应器
生物反应器生物反应器是一种生物技术设备，主要用于生物发酵、生物转化和生物固定化等过程的实现，是生物技术学领域中的核心设备之一。
生物反应器按规模大小可分为实验室规模、小型工业规模、大型工业规模及超大型规模，广泛应用于生物制药、食品工业、环保工程、化工领域及实验室研究等不同领域。
本文主要介绍生物反应器的基本概念、分类、结构、功能与应用等方面的内容。
一、生物反应器的基本概念生物反应器是一种专门用于维持和促进生物体生长繁殖，并对物质能量进行转化的设备。
是利用微生物生长代谢的能力，进行化学制品或生物制品的生产。
反应器内部常温度、氧气含量、pH值、营养物浓度等参数进行监测与控制，以维持接近理想的生长环境，从而提高微生物总体产量和单独化合物的产量。
二、生物反应器的分类按微生物名称分为真菌反应器和细胞反应器两种；按操作条件分为常压和高压反应器两种；按反应器内混合方式分为不同类型，如机械混合反应器、气液混合反应器、液相连续搅拌反应器、固相悬浮式反应器等；按生产工艺分则有批量式反应器、半连续式反应器和连续式反应器等。
三、生物反应器的结构生物反应器结构包括传质层、反应层和生物活性层三个部分。
传质层由反应器外壳和传质器件（气体传输系统与吸收液传输系统）组成，热量传递和质量传递的效率决定于传质器件的选择和设计。
反应层由反应器罐体、搅拌器、传热器、控制仪等组成，其内部环境的压力、温度、营养物浓度、气相浓度、氧含量、pH值等参数决定了反应的产物和效率。
生物活性层是一个重要的环节，是水生生物或微生物参与反应的主要部分。
其中，微生物是生物活性层的核心，它们根据营养状态发生生长、代谢和能量转换等复杂的反应，完成指定的反应目的。
四、生物反应器的功能生物反应器的主要功能是实现微生物生长代谢和化学过程，从而获得所需的生物制品或化学成品。
其次，需要满足反应器内环境的生物学和物理学参数要求，如空气、水、营养物、pH、pO2、温度、压力、流量等参数，确保最大的反应效率和最佳的反应条件。
生物反应器的分类与发展
分都可经过人为驯化为生物反应器
动物血液生物反应器
动物膀胱生物反应器
动物生物反应器
外源基因编码产物可直 接从血清中分离
出来,血细胞组分可通 过裂解细胞获得，
外源基因在膀胱中表达的转基因动物 生物反应器,叫动物膀胱生物反应器
动物乳腺生物反应器
动物乳腺生物反应器利用哺
泌尿系统
乳动物乳腺特异性表达的启 动子元件构建转基因动物,
生物反应器是发酵工程中最重要的设备之一
原料
原料制备 预处理
能量 灭菌
过程控制
生物 反应器
能量 产品回收
产物
空气
空压机 除菌
热量
废物
二、生物反应器的分类
机械搅拌式反应器 气升式生生物反应器
动物生物反应器 植物生物反应器
生物反应器有很多种,按照不同的分类角度
组织或整株植物，
其中以转基因植物作为生物反应器生产贵重药物和疫
苗已经成为植物基因工程中最有研究前景和商业价值的领
域，
植物生物反应器种类不断增多, 从最初的烟草、拟南
芥到后来的马铃薯、番茄、香蕉、木瓜、豇豆、菠菜、苜
蓿、油菜和芜青等,表达产物包括疫苗、抗体及其片段、
细胞因子、酶及其它药用蛋白和生物活性肽等，
3 生产啤酒 4 生产能源
目前用来生产啤酒的填充 床固定化细胞反应器已完 成中试进入工业生产阶段
光合细菌利用有机物作为电子供 体光敏产氢为工业化生产清洁、 无污染的生物能源提供了具有竞
争力的技术方法
2、动物生物反应器
一般把目的片段在器官或组织中表达的转基因动物叫动 物生物反应器，几乎任何有生命的器官、组织或其中一部
在转基因家畜血液中得到人免疫球蛋白、d 球蛋白、B球蛋白、胰蛋白酶、干扰素和生长激素 等,并且都具有正常的生物活性，美国哺乳动物细 胞表达或生产的生物技术药物有53种，
[设计]植物细胞生物反应器类型及特点
![[设计]植物细胞生物反应器类型及特点](https://img.taocdn.com/s3/m/18917897783e0912a3162aae.png)
[设计]植物细胞生物反应器类型及特点课程论文课程名称:细胞工程论文名称:植物细胞生物反应器类型及特点姓名:刘珍豆学号:110214208班级:生工1102班2014年4月14日目录一、植物细胞悬浮培养反应器------------------31、机械搅拌式反应器---------------------3器--------------------4 2、非机械搅拌式反应2、1、气升式反应器----------------------42、2、鼓泡式反应器-----------------------52、3、转鼓式反应器----------------------------------------5二、植物细胞固定化生物反应器:-------------------51、流化床生物反应器----------------------------62、填充床生物反应器---------------------------73、膜生物反应器-------------------------------73、1、中空纤维生物反应器---------------------73、2、螺旋卷绕生物反应器--------------------83、3、管式膜反应器--------------------------8三、当前生物反应器的发展前沿 -------------------8一、植物细胞悬浮培养生物反应器1、机械搅拌式生物反应器:其原理是利用机械搅动使细胞得以悬浮和通气;反应器的结构一般由柱状外壁和中心轴上垂直附加的叶轮组成，其主要优点是:搅拌充分，供养和混合效果好，溶氧系数KLa>100/h，反映器中的温度、pH及营养物的浓度较其它反应器容易调节，并可以直接借用微生物培养的经验进行研究和控制。
搅拌式反应器主要适用于对剪切力耐受性较强的细胞，如烟草细胞，水母雪莲细胞等;由于大多数的植物细胞的细胞壁对剪切力较敏感，易造成细胞损伤，所以在利用搅拌式反应器时需要对搅拌桨叶进行改进，一般可以通过改变搅拌形式、叶轮结构与类型等减小因搅拌而产生的剪切力。
生物反应器及其操作特性
优点：
1、省却空气压缩机及其辅助设备，减少厂房， 减少设备投资约30%。
2、设备便于自动化、连续化，降低劳动强度，减少 劳动力。
3、气泡小、气液均匀接触，溶氧系数高。
缺点：
进罐空气处于负压，增加了染菌的机会。 搅拌转速过高，菌丝易被搅拌器切断。
（四）高位筛板式发酵罐 （高位塔式发酵罐）
MBR的基本分类
内容
分类
膜组件
管式、板框式、中空纤维式
膜材料
有机膜、无机膜
压力驱动形式
外压式、抽吸式
生物反应器
好氧、厌氧
膜组件与生物反应器的 分置式、一体式（浸没式） 组合方式
2种反应器的区别
MBR 种类
分置式
一体式
压力驱 动形式
压力泵 加压 真空泵 抽吸
动力 消耗
大
小
管道 要求
需要
膜更换 和清洗 情况
（2）温湿度控制。温度数显，采用风量对温度进行反馈 控制;物料湿度采用全雾化补水系统进行调节。
（3） 在位接种与混匀。在位压差均匀接种,在发酵过程 中，利用罐内的物料混匀与破碎系统,做到均匀稳定发酵。
（4）动力驱动。利用调速电机调节发酵旋转速度,使不同 物性的物料，不同特性的菌种均能进行良好的发酵。
桨一体化结构，通气充分均匀
主要参数 ：
环境温度：15～35℃ 灭菌温度：100～130℃ 温度控制范围：20～40℃，±0.5℃ 转速控制范围：0～30rmp，±1%
（八）动物细胞培养用反应器
动物细胞培养应用举例
疫苗
小儿麻痹症疫苗、狂犬疫苗、脑炎疫苗、疱疹 疫苗、风疹疫苗
单克隆抗体 IgG、IgM、IgA等
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
课程论文
课程名称：细胞工程
论文名称：植物细胞生物反应器类型及特点
******
学号：*********
班级：生工1102班
2014年4月14日
目录
一、植物细胞悬浮培养反应器------------------3
1、机械搅拌式反应器---------------------3
2、非机械搅拌式反应器--------------------4
2、1、气升式反应器----------------------4
2、2、鼓泡式反应器-----------------------5
2、3、转鼓式反应器----------------------------------------5
二、植物细胞固定化生物反应器：-------------------5
1、流化床生物反应器----------------------------6
2、填充床生物反应器---------------------------7
3、膜生物反应器-------------------------------7
3、1、中空纤维生物反应器---------------------7
3、2、螺旋卷绕生物反应器--------------------8
3、3、管式膜反应器--------------------------8
三、当前生物反应器的发展前沿 -------------------8
一、植物细胞悬浮培养生物反应器
1、机械搅拌式生物反应器：其原理是利用机械搅动使细胞得以悬浮和通气；反应器的结构一般由柱状外壁和中心轴上垂直附加的叶轮组成，其主要优点是：搅拌充分，供养和混合效果好，溶氧系数KLa>100/h，反映器中的温度、pH及营养物的浓度较其它反应器容易调节，并可以直接借用微生物培养的经验进行研究和控制。
搅拌式反应器主要适用于对剪切力耐受性较强的细胞，如烟草细胞，水母雪莲细胞等；
由于大多数的植物细胞的细胞壁对剪切力较敏感，易造成细胞损伤，所以在利用搅拌式反应器时需要对搅拌桨叶进行改进，一般可以通过改变搅拌形式、叶轮结构与类型等减小因搅拌而产生的剪切力。
一般认为涡叶轮好于平叶轮，平叶轮好于螺旋状叶轮；机械搅拌式生物反应器的结构图为
1、搅拌器
2、无菌空气入口
3、搅拌叶轮（改进为螺旋状叶轮）
4、空气出口
5、空气分布器
2、非机械搅拌式反应器：
（1）、气升式反应器：气升式反应器是利用反应器的无菌空气的上升气流带动培养液进行循环，使供养和混合两种作用融为一体的一类生物反应器，按照结构的不同可分为外循环和内循环两种形式。
气升式反应器内可分为升液区和降液区两大区域，主要包括导流筒、塔顶的气液分离装置和塔底的气体分布装置等几部分气体由塔底气体分布装置导入导流筒，经过气液分离后在塔顶排出，从而带动液体在塔内从升液区到降液区的循环流动，达到搅拌的目的。
气升式反应器由于没有搅拌装置，剪切力较小，对植物细胞的伤害较小，培养也不断的循环，混合效果好，有利于提高细胞浓度和次生代谢物的产量，是最适合植物细胞培养的生物反应器之一。
如图所示为內升式反应器：1、进气口 2、排气口 3、气
体循环方向
（2）、鼓泡式反应器:利用反应器底部通入的无菌空气产生大量的起泡，在上升过程中起到供养和混合两种作用的一类反应器；在培养过程中无需机械能消耗，适合于培养对剪切力敏感的细胞，
1、进气口
2、空气分布器
3、气流方向
4、排气口
（3）转鼓式反应器:它是一种新型的生物反应器，通过转盘或转股的旋转，达到混合的目的；其特点为具有悬浮系统均一、低剪切环境、供养效率高、防止细胞粘附在壁上的优点，适合于高密度植物悬浮的培养。
二、植物细胞固定化生物反应器：
1、流化床生物反应器：利用流体的能量使支持物颗粒处于悬浮流化状态，固定化细胞以及气泡在培养液悬浮翻转吸收营养而得以培养，其特点是：结构简单、传递系数高，反应物混合
均匀
1、进液口
2、排液口
3、细胞团或固定化细胞
4、气泡
2、填充床生物反应器：将细胞固定于支持物表面或内部，支持物颗粒堆叠成床，固定不动，培养基在床间流动，实现物质的传递和混合，其特点是：单位体积的细胞密度大，能满足植物细胞群体生长的特性，缺点是混合效果差，传质效率低，床底层中颗粒支持物容易破碎或在高压下变形而使床阻塞。
1、进液口
2、排液口
3、固定化细胞
3、膜生物反应器：是一种将植物细胞固定在具有一定孔径和选择透性的多孔薄膜中而制成的一种生物反应器。
主要有中空纤维反应器和螺旋卷绕反应器。
（1）中空纤维反应器:是由外壳和醋酸纤维等高分子聚合物制成的中空纤维组成；中空纤维的壁上分布有许多的微孔，可以节流植物细胞而允许小分子物质通过，其特点是：中空纤维管管径较小，即使在反应器截面很小的情况下仍可以装填大量的纤维，提供了高的表面积，因而营养液流通面大，且有较高的机械强度，其次死是反应器结构紧凑，集反应与分离于一体，利于连续化生产，但是其清洗比较困难。
（2）螺旋卷绕反应器：是将固定有细胞的膜卷绕成圆柱状，
实质上是卷成圆筒型的平板反应器，其特点是：它的流体动力学易于控制，易于放大，而且能提供更均匀的环境条件，同时还可以进行产物分离以解除产物的反馈抑制。
（3）管式膜反应器
结构简单，适应性强，清洗安装方便，单根管子可以更换，耐高压无死角，适宜于处理高粘度及固体含量较高的料液。
三、当前生物反应器的发展前沿
用于植物组织培养的生物反应器，气升式反应器是一种不错的选择，但是在未来科技的发展进程中，膜反应器的应用会越来越广泛。
各种膜反应器的运用会成为日后的焦点；不过在实际应运中，还是要根据所培养的细胞类型和特性来选择对应的反应器。