植物细胞和动物细胞和培养反应器
动物细胞培养生物反应器
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传统发酵罐
•
酶反应器等
•
固定化酶和细胞反应器
•
动植物细胞培养反应器
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生物反应器类型
机械搅拌式反应器 气升式生物反应器 鼓泡塔生物反应器 膜生物反应器
动物生物反应器 植物生物反应器
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4
一 机械搅拌式生物反应器
医药工业中的第一个大规模的微生物发酵过程青霉 素生产是在机械搅拌式反应器中进行的。且迄今为 止，对新的生物过程，首选的生物反应器仍然是机 械搅拌式反应器。机械搅拌式反应器能适用于大多 数生物过程，是形成标准化的通用产品。
• 显然，反应器的增大有利于降低生产成本。
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2 动植物细胞培养反应器得到较大发展
• 由于动植物细胞培养可以得到很多高附加值生物 制品，如干扰素，单克隆抗体等，细胞培养反应 器的开发越来越受到重视。其中关于供氧问题， 快速升温、SIP自动灭菌、CIP自动清洗、机械 密封、排气处理、取样处理等问题等都需很好解 决。
混合不够均匀。
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三 其他类型反应器
• 鼓泡塔生物反应器 • 膜生物反应器 • 固定床和流化床反应器 • 动物植物生物反应器 • 其他
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四 生物反应器的发展趋势
• 生物反应器的研究、开发和设计是生物技 术的一个重要内容，一种好的生物反应器 出现往往能够大规模降低生产成本，成为 生物制品成功商业化的关键。因此，生物 反应器的开发一直很活跃，尤其是最近的 细胞生物反应器开发更是如此。生物反应 器的发展趋势可归纳为以下几个方面：
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7
• 反应器的结构
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8
几何尺寸
H/D=1.7~4 d/D=1/2~1/3 W/D=1/8~1/12 B/D=0.8~1.0 (s/d)2=1.5~2.5 (s/d)3=1~2
动植物细胞培养产酶
理化性质
• 英文名：Paclitaxel, Taxol® or
Ph3
O C6H5
Ph2
C6H5 O N H
3' 2' 1'
18 12
AcO
11
10 9 17 2 16
O19
8 3
OH
6 5 20 O
O C6H5
OH
二、动物细胞培养产酶
动物细胞的特性 动物细胞培养特点与培养方式
动物细胞培养的工艺条件控制
动物细胞培养产酶的工艺过程
典型动物细胞培养产酶的工艺过程
2.1 动物细胞的特性
动物细胞的形态
A、贴壁依赖型
1、成纤维细胞（fibroblast 或mechanocyte type)
2、上皮细胞（epithilium cell)
缺点：1、合成过程烦琐复杂，几十步
2、费用高，化学试剂昂贵 3、总收率太低（2%）
• 半合成
以10-DABⅢ和Baccatin Ⅲ作为半合成原料获得 紫杉醇 新方法用10-DAT
优点：1、原料枝叶含量丰富、 提取相
对容易，充分利用再生资源 2、产率较高； 3、可以规模化制备； 4、获取紫杉醇构效关系信息，进 行结构改造; 缺点：合成过程相对复杂 （11步化学转化和7步分离）
3、游走细胞（wondering cell）
4、多形性细胞（polymorphic cell)
B、悬浮型或非贴壁依赖型
1、动物细胞的特性
动物细胞的特性
动物细胞没有细胞壁，适应环境能力差； 动物细胞的体积大，稍小于植物细胞； 大部分细胞具有群体效应、锚地依赖性、接触抑制 性；
动物细胞和植物细胞培养反应器
六叶罗式搅拌器实物图
后来，有人使用锚式搅拌器和螺旋式搅拌器进行植物细胞的培养，
也取得了较好的效果。一般认为螺旋式搅拌器效果最优。
锚式搅拌器和螺旋搅拌器植物细胞培养反应器
吸筒式搅拌器和帆式搅拌器也常用于植物细胞的悬浮培养中， 其结构如下图所示。吸筒式搅拌器的结构原理在本章动物细胞培养 反应器中会有详细介绍，帆式搅拌器结构相对简单，由四片较大的 搅拌叶组成。这两种搅拌在使用时转速都不高，一般在30～80转/分。
吸管式搅拌器和帆式搅拌器
搅拌桨是用尼龙丝编织带制成帆形，搅拌轴用磁力驱动旋转， 转速为20~50r/min，氧气通过插入溶液中的硅胶管扩散到培养 液内，以维持培养液内一定的溶解氧水平。
带帆形搅拌器的连续灌注系统培养反应器
/sbs.asp?id=118
第
三
章
植物细胞和动物细胞 培 养 反 应 器
动植物细胞培养与微生物细胞培养有很大的不同。 动物细胞培养与微生物培养区别： • 动物细胞无细胞壁，且大多数哺乳动物细胞附着在固体或半固 体的表面才能生长；对营养要求严格，除氨基酸、维生素、盐类、 葡萄糖或半乳糖外，还需有血清。动物细胞对环境敏感，包括pH、 溶氧、温度、剪切应力都比微生物有更严的要求，一般须严格的监 测和控制。 植物细胞培养与微生物培养区别： • 植物细胞对营养要求较动物细胞简单。但由于植物细胞培养一 般要求在高密度下才能得到一定浓度的培养产物，以及植物细胞生 长较微生物要缓慢，长时间的培养对无菌要求及反应器的设计也提 出特殊的要求。
悬浮培养瓶
小规模悬浮培养
3、固定化培养：是指采用吸附（固体吸附剂）、共价贴附 （与固相载体结合）、共价交连（用试剂处理使细胞间形 成桥而絮结）、包埋（将细胞包埋在多孔材料内）等方法 将细胞固定在支持物上，或将细胞嵌入微囊或高分子聚合 物的网络中进行培养。该方法对贴壁依赖性细胞与非贴壁 依赖性细胞均适用。
微生物、动物、植物细胞培养的异同点
微生物、动物、植物细胞培养的异同点如下：不同点：首先在培养基上，微生物是固体、半固体培养基都有，成分主要是水、无机盐、生长因子、碳源、氮源等。
如果是病毒的话要用细菌进行培养；动物的话用天然培养基加生长因子比较好，一般是液体培养基，成分主要是水、葡萄糖、氨基酸、无机盐、维生素、动物血清；而植物培养基用合成培养基就可以了，一般是固体培养基，成分主要是矿质元素、蔗糖、纤维素、植物激素、有机添加剂。
其次是各自培养的原理上的不同，微生物细胞培养的原理是微生物细胞的增殖，动物细胞培养的原理是细胞的增殖，植物细胞培养原理是细胞的全能性。
最后，微生物细胞培养主要是获得其代谢产物或次级代谢产物或得到细胞本身；植物细胞培养主要是获得新个体或细胞产品，应用与快速繁殖试管苗、细胞产品、人工种子、转基因植物的培育等。
动物细胞培养是获得大量新生细胞或细胞产品，应用是获得细胞的产物或细胞等。
另外，动物细胞分散用到的是胰蛋白酶，植物是纤维素酶等。
相同点：两者都需要培养基、都需要无菌操作，防止染菌、培养时候都需要适当的温度等条件。
综上所述见下表：微生物动物细胞植物细胞大小(um) 1~10 10~100 10~100 悬浮生长可以，多数细胞需附着表面才能生长可以，但易结团无单个细胞营养要求简单非常复杂较复杂生长速率快，倍增时间为0.5~5小时慢，倍增时间为15~100小时慢，倍增时间为24~74小时代谢调节内部内部激素内部激素环境敏感不敏感非常敏感能忍受广泛范围细胞分化无有高剪切力敏感低非常高高传统变异，筛选技术广泛使用不常使用有时使用细胞或产物浓度较高低低由于他们所用的培养基不同，培养是所要求的条件不同所以在批量生产我们所需的目的产物时就要选择相应的生物反应器。
在选择生物反应器时要注意到生物反应器在生物反应过程的剪切力、传质问题如气-液质量传递和液-固质量传递。
生物反应器是利用生物催化剂为细胞培养（或发酵）或酶反应提供良好的反映环境的设备，通常称为发酵罐或酶反应器。
生物技术制药试题及答案
生物技术制药试题及答案一、名词解释1. 生物技术（biotechnology）：有时也称为生物工程（bioengineering），是指人们以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段和其他基础学科的科学原理，利用生物得体或其体系或它们的衍生物来制造人类所需要的各种产品或达到某种目的的一门新兴的、综合性的学科。
2．基因工程（gene enginerring）：是指在基因水平上的操作并改变生物遗传特性的技术。
即按照人们的需要，用类似工程设计的方法将不同来源的基因（DNA 分子）在体外构建成杂种DNA分子，然后导入受体细胞，并在受体细胞内复制、转录和表达的操作，也称DNA重组技术。
3．细胞工程（cell engineering）：是指在细胞为基本单位，在体外条件下进行培养、繁殖或人为地使细胞某些生物学特性按人们的意愿发生改变，从而达到改良生物品种和创造新品种的目的，加速繁育动植物个体，或获得某种有用物质的技术。
4．酶工程（enzyme engineering）：是利用酶、细胞器或细胞所具有的特异催化功能或对酶进行修饰改造，并借助生物反应器和工艺过程来生产人类所需产品的技术。
5．发酵工程（fermentation engineering）：是指利用包括工程微生物在内的某些微生物或动、植物细胞及其特定功能，通过现代工程技术手段（主要是发酵罐或生物反应品的自动化、高效化、功能多样化、大型化）生产各种特定的有用物质；或把微生物直接用于某些工业化生产的一种技术。
由于发酵多与微生物密切联系在一起，所以又称之为微生物工程或微生物发酵工程。
6. 生物反应器（bioreactor）：主要包括微生物反应器、植物细胞培养反应器，动物细胞培养反应器以及新发展起来的有活体生物反应器之称的转基因植物生物反应器，转基因动物生物反应器等。
7. 转基因动物：是指在基因组中稳定地整合有导入的外源基因的动物。
8. 转基因植物：是指通过体外重组DNA技术将外源基因转入到植物细胞或组织，从而获得新遗传特性的再生植物。
六章动植物细胞培养装置和酶反应器-医学资料
动物细胞培养液中通常含有葡萄糖、氨 基酸、无机盐、维生素和动物血清等。培养的 动物细胞大都取自动物胚胎或出生不久的幼龄 动物的器官或组织，将组织取出来后，先用胰 蛋白酶等使组织分散成单个细胞，然后配制成 一定浓度的细胞悬浮液，再将该悬浮液放入培 养瓶中，在培养箱中培养，这个过程称为原代 培养。细胞在培养瓶中贴壁生长。随着细胞的 生长和增殖，培养瓶中的细胞越来越多，需要 定期地用胰蛋白酶使细胞从瓶壁上脱离下来， 配制成细胞悬浮液，分装到两个或两个以上的 培养瓶中培养，这称为传代培养。
一、动物细胞培养装置
动物细胞培养技术的应用是多方面的。许多有 重要价值的蛋白质生物制品，如病毒疫苗、干扰素、 单克隆抗体等，都可以借助于动物细胞的大规模培养 来生产。用取自烧伤病人皮肤的健康细胞进行培养， 可以获得大量自身的皮肤细胞，为大面积烧伤的病人 移植。培养的动物细胞还可以用于检测有毒物质。许 多致畸、致癌物质加入培养液后，培养细胞会发生染 色体结构和数目的变异。根据变异细胞占全部培养细 胞的百分数，可以判断某种物质的毒性。现在动物细 胞培养已经成为检测有毒物质的快速而灵敏的有效手 段。医学家培养各种正常的或病变的细胞，用于生理、 病理、药理等方面的研究，为治疗和预防疾病提供理 论依据。
图6－5 动物细胞贴壁培养后的微载体显微镜照片
微载悬浮培养的反应器要解决的三个关键问题：
（1）具有合适的搅拌，使微载体在培养液 内悬浮循环流动，而又不因过高的剪切力而使 动物细胞受到破坏。
（2）不能像传统发酵罐那样用空气在培养液 内鼓泡充氧，而只能用特殊方式来传递氧，以 满足所需要的溶氧浓度。
（3）在培养液中要严格控制pH值，要求pH值 控制误差小于0.05。
叶的搅动作用，液体与微载体的悬浮液由圆筒
动植物细胞培养
CO2的含量水平对细胞的生长 同样相当重要
研究发现,植物细胞能非光合地固定一定浓度 的CO2,如在空气中混以2%～4%的CO2能够 消除高通气量对长春花细胞生长和次级代谢物 产率的影响.因此,对植物细胞培养来说,在 要求培养液充分混合的同时,CO2和氧气的浓 度只有达到某一平衡时,才会很好地生长,所 以植物细胞培养有时需要通入一定量的CO2气 体.
填充床/流化床反应器
填充床反应器
流化床反应器
膜反应器
三,影响细胞培养因素
细胞种质影响 外界因素影响 光照影响 光对黄酮化合物形成的影响,培养物在光照特别 是紫外光下黄酮及黄酮类醇糖苷积累的所有酶活性均 增加.通常光照采用荧光灯,或者荧光灯和白炽灯混 合,其光强度是300～10000lx(6～100m/m2s)可以 连续光照,也可以每天光照12～18h. pH 培养基成分的影响:
第二节 动物细胞培养技术
动物细胞培养开始于本世纪初,到1962年规模 开始扩大,发展至今已成为生物,医学研究和 应用中广泛采用的技术方法,利用动物细胞培 养生产具有重要医用价值的酶,生长因子,疫 苗和单抗等,已成为医药生物高技术产业的重 要部分.大规模动物细胞培养在生物技术产业 化进程中显示出强大的潜力. 利用动物细胞培养技术生产的生物制品已占世 界生物高技术产品市场份额的50%.
已有商品市售无血清培养基主要有下述3 类: ①基本合成培养基; ②基本合成培养基加生长因子; ③基本合成培养基加组织抽提物.
合成培养基的种类虽多,但一般都含有氨 基酸,维生素,碳水化合物,无机盐和 一些其它辅助性成分. 在细胞培养中,大多数细胞需要谷氨酰胺 作为能源和碳源 复杂培养基都含有核苷,柠檬酸循环中间 体,丙酮酸,脂类,氧化还原剂如抗坏 血酸,谷胱甘肽等及其他各种化合物.
生物技术概论复习题及答案
生物技术概论复习题及答案一、名词解释1、生物技术：是指人们以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段和其他基础学科的科学原理，利用生物得体或其体系或它们的衍生物来制造人类所需要的各种产品或达到某种目的的一门新兴的、综合性的学科。
2、基因工程：是指在基因水平上的操作并改变生物遗传特性的技术。
即按照人们的需要，用类似工程设计的方法将不同来源的基因（DNA分子）在体外构建成杂种DNA分子，然后导入受体细胞，并在受体细胞内复制、转录和表达的操作，也称DNA重组技术。
3、细胞工程：是指在细胞为基本单位，在体外条件下进行培养、繁殖或人为地使细胞某些生物学特性按人们的意愿发生改变，从而达到改良生物品种和创造新品种的目的，加速繁育动植物个体，或获得某种有用物质的技术。
4、食品添加剂：是指为改善食品的品质（色、香、味）以及有防腐和加工工艺的需要而加入到食品中的化学合成物或天然物质。
5、湖泊的富营养化：由于环境的污染，象农业上的化肥、工业废水等大量排放使水中含有大量的营养元素象氮磷钾等非常丰富，使微生物生长迅速，造成富营养化。
6、生物反应器（bioreactor）：主要包括微生物反应器、植物细胞培养反应器，动物细胞培养反应器以及新发展起来的有活体生物反应器之称的转基因植物生物反应器，转基因动物生物反应器等。
7、转基因植物：是指通过体外重组DNA技术将外源基因转入到植物细胞或组织，从而获得新遗传特性的再生植物。
8、细胞融合：是指促融因子的作用下，将两个或多个细胞融合为一个细胞的过程。
9、抗原：凡能刺激机体免疫系统发生免疫应答的物质均称为抗原。
10、组织培养：指在无菌和人为控制外因（营养成分、光、温、湿）的条件下，培养研究植物组织、器官，甚至进而从中分化发育出整个植株的技术。
11、原生质体培养：是关于原生质体分离，原生质体纯化、原生质体培养、原生质体胞壁再生，细胞团形成和器官发生，等技术。
12、有益微生物：指对人类有帮助，能满足人们需求的某些微生物。
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3、植物细胞培养过程中的氧传递
➢ 所有植物细胞都是好气性的，需要连续 不断地供氧。
➢ 二氧化碳的浓度对细胞的生长也相当重
要。
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4、泡沫和表面粘附性
气泡较大，覆盖有蛋白质和粘多糖， 粘性大，易粘附于培养液表面以上的器 壁上
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激素 生长激素、促红细胞生成素
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一 、 动物细胞培养过程的特点
动物细胞培养定义 将动物组织或细胞从机体取出，分散成 单个细胞，给予必要的条件，模拟体内 生长环境，使其在体外继续生长和繁殖。
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1、动物细胞与微生物细胞的性质比较
表 动物细胞与微生物细胞的性质比较
性质
动物细胞
微生物细胞
大小 代谢调节方式
营养要求 生长速率 机械强度 环境适应性
10-100um 内部和激素
苛刻 倍增时间一般为12-60h 很差，缺乏保护性细胞壁
差
10um 内部 宽松，可利用多种底物 倍增时间一般为0.5-2h 较好
好
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2 、 动物细胞与微生物细胞的培养方法比较
表 动物细胞与微生物细胞的培养方法比较
细胞密度及其比生长速率 限制性营养物质及其比消耗速率 产物浓度及其比生长速率 抑制物浓度
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2、流加式培养
特点：
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； 整个过程反应体积是变化的。
培养过程各参数的变化可写为： d（VX）/ dt = uVX
V---培养液的体积； X--为t时间时的细胞密度； u--为细胞的比生长
优点：可重复使用， 可以采用较厚的细 胞层
缺点: 投资大
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第二节 动物细胞培养反应器
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动物细胞培养的产物举例
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
免疫调节剂 细胞生长因子、干扰素、白细胞活化因子、胸腺 素
酶
胰蛋白酶、尿激酶、胶原酶、胃蛋白酶
性质
动物细胞
微生物细胞
PH控制 搅拌速度 溶氧控制 培养基灭菌方法 培养时间 对水纯度的要求
CO2—HCO3缓冲液 较慢
改变进入气体的氧浓度 过滤
几天~3、4周 很高
添加酸、碱 速度快、范围广 改变搅拌速度 、通气量等
高温蒸煮 几小时~几天
较低
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二、动物细胞培养方法
贴壁培养 悬浮培养 固定化培养
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（2）流化床生物反应器
特点：利用流体的能量来悬 浮颗粒。
优点：小颗粒传质特性良好。
缺点：剪切力和颗粒碰撞会 损坏固定化细胞。
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（3）膜生物反应器
▪ 中空纤维反应器 ▪ 螺线式卷绕反应器
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中空纤维反应器：细 胞保留在管外，基 质走管内
螺旋式卷绕反应器： 将固定有细胞的膜 卷成圆柱状可编辑版101、悬浮培养生物反应器
(1)机械搅拌式反应器 优点:是能够获得较高 的溶氧系数。 缺点:剪切力大。
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2、固定化细胞生物反应器
（1）填充床生物反应器
特点：细胞固定于支撑物表面或内 部，支撑物颗粒堆叠成床，培养基 在床层间流动。 优点：单位体积固定细胞量大。 缺点:混合效果差，使溶氧、pH、 温度控制、气体的排出较难。
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1、通气搅拌式细胞培养反应器
工作原理:反应器运转
第三章
植物细胞和动物细胞 培养反应器
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1
第一节 植物细胞培养反应器
植物细胞培养：是指在离体条件下将愈伤 组织或其他易分散的组织置于液体培养基 中，将组织振荡分散成游离的悬浮细胞， 通过继代培养使细胞增殖来获得大量细胞 群体的方法。
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2
表1 植物细胞培养和从完整的植物 生产紫草宁的比较
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1、 分批式培养
分批式培养：指先将细胞和培养液一次性装入反 应器内进行培养，细胞不断生长，产物不断形 成，经一段时间后，终止培养。
特点： ➢ 分批式培养过程的环境随时间变化很大 ➢ 细胞的生长阶段可分为延滞期、对数生长期、
减速期、平稳期和衰退期。
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(3)在分批培养过程中,与细胞的生长、代 谢相关的主要参数有
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5、灌注培养
灌注培养：是把细胞接种后进行培养，新 鲜的培养液从反应器一头不断加入，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 断的状态。
特点：高密度培养动物细胞
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图（生化生产工艺学P221）
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三、动物细胞大规模培养反应器
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5、悬浮细胞的生长与增殖
细胞数量随时间的变化曲线呈现 “S”形。
细胞生长经历：延迟期、对数生长 期、直线生长期、减慢期和静止期。
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8
6、悬浮培养的优点
➢ 增加培养细胞与培养液的接触面 ➢ 及时带走培养物产生的有害代谢产
物 ➢ 保证了氧的充分供应
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二 、植物细胞培养反应器
培养方式： 悬浮培养和固定化细胞培养
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1.贴壁培养
是指必须贴附在固体介质表 成上生长 的细胞培养。
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2. 悬浮培养 是指细胞在培养器中自由悬浮生长的过程。
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3.固定化培养
是既适用于贴壁依赖性细胞，又适用于非 贴壁依赖性细胞的包埋培养方式。
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三、细胞培养的操作方式
培养方式分为： ➢ 分批式 ➢ 流加式 ➢ 半连续式 ➢ 连续式 ➢ 灌注式
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流加方式：
(1)无反馈控制流加 (2)反馈控制流加
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3、半连续式培养
指在分批式培养的基础上，将 分批培养的培养液部分取出，并补 充加入等量的新鲜培养基，使反应 器内培养液的总体积保持不变。
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4、连续式培养
连续式培养：使反应条件处于一种 恒定状态。
特点：细胞所处环境条件长时间地 稳定
生产方式 完整植物
收获时间 2-3年
紫草宁浓度 （%干重）
1-2
植物细胞培
21天
14
养
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3
一、植物细胞培养过程的特点
1、培养液中植物细胞的特性 ➢ 植物细胞比微生物细胞大 ➢ 植物细胞通常以细胞数在2-200之间、直径
为2mm左右的非均相集合细胞团方式存在 ➢ 植物细胞抗剪能力弱
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2、细胞培养液的流变学性质