发酵工程与设备2005版(第一篇)第四章植物细胞和动物细胞培养反应器题库.ppt

第四章　植物细胞和动物细胞培养反应器 第一节　植物细胞培养反应器 一、植物细胞培养过程的特点 1．细胞培养液的特性 植物细胞比微生物细胞大50－100倍，体积大约要膨大105－106倍，在培养液中所占体积可高达40－50%，而酵母一般只有5%左右，培养过程中培养液的黏度可增大30倍。 二、植物细胞培养反应器 1．悬浮培养生物反应器 1）机械搅拌式反应器 2）非机械搅拌式反应器 2．固定化细胞生物反应器 1）填充床反应器 2）流化床反应器 3）膜反应器 机械搅拌式反应器 机械搅拌式反应器是最传统的微生物发酵装置，同样也可用于植物细胞悬浮培养。 机械搅拌式反应器已成功地用于许多细胞的培养中，而且也具有反应器内的温度、pH、 溶氧及营养物浓度较其他反应器更易控制等优点，但由于剪切力大。易对植物细胞造成较大损伤，对次级代谢产物的合成也会产生影响。 机械搅拌式反应器 设计要点： 要选用该类反应器，除需要筛选出抗剪切力的细胞系外，对反应器结构进行适当改造，尤其是搅拌浆的结构和类型的改进，使其具有缓和的、但又充分的搅拌效果。 非机械搅拌式反应器 优点： 由于没有活动的搅拌装置，剪切力小，对细胞损伤小，而且容易实现长期无菌培养。 缺点：操作弹性小，低气速时尤其在培养后期植物细胞密度较高时，混合效果较差。如果 提高通气量，又会产生大量泡沫，严重影响植物细胞的生长。此时一种较为有效的方法是添加消泡剂。此外，对这类反应器缺乏足够的经验，放大过程也不如机械搅拌式反应器成熟 非机械搅拌式反应器 填充床反应器 填充床生物反应器中，细胞固定于支持物（胶粒、泡沫、金属颗粒或连 的网）表面或内部，细胞固定支持物颗粒堆叠成床，培养基在床层间流动，通过培养液流动实现混合和传质。 填充床生物反应器缺点在于： 混合 效率低，使必要的氧传递、pH值、温度的控制和产物的排泄很困难； 填充床中颗粒或支持物的破碎会阻塞液体流动； 用于固定的胶粒在高压下容易变形，会导致填充床阻塞。 ●传质效率低和阻塞是填充床生物反应器需要解决的关键问题。 流化床生物反应器 流化床生物反应器中，细胞包裹于胶粒、金属或泡沫颗粒中成为固定化植物细胞，通过培养液自下而上在反应器内的流动使固定化细胞呈流态化悬浮状态，培养液与植物细胞充分接触，混合程度高，传质传热效果好。 流化床生物反应器缺点在于： ●剪切力和颗粒碰撞会破坏固定化细胞； ●流体动力学复杂使其放大困难。 膜生物反应器 膜式反应器是近年来生物反应器研究的重要领域，也是近年来广泛使用的一种固定化反应器。膜固定化是采用具有一定孔径和选择透性的膜固定植物细胞。营养物质可以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。 膜生物反应器最常用的是中空纤维和螺旋式卷绕反应器。 膜生物反应器用于植物细胞培养一方面可以维持较高的细胞浓度。同时又可以将细胞产物不断地从反应体系中分离出去(对于胞外产物)，降低了产物的反馈抑制，提高了生产效率。 但是这种反应器的传质效率低，同样具有容易堵塞的问题，而且投资较大。 植物细胞培养反应器的放大 一般认为：植物细胞培养反应器的放大过程可以以相同体积溶氧传递系数KLa为依据。同时考虑合理的搅拌强度。整个反应器放大过程需要在充分了解大型反应器内流体流动、传热、传质规律上进行。 植物细胞反应器的选择和设计 植物细胞反应器的选择和设计的基本原则如下。 (1)氧的供给 对于间歇培养体积溶氧系数KLa需要10—15h-1左右。 (2)剪切力 ：植物细胞对剪切力非常敏感，要求反应器的剪切力尽可能小。 (3)细胞的黏附 ： 细胞培养过程中细胞容易黏附在反应器壁上，并产生大量的泡沫，导致细胞量和代谢产物减少；严重时培养过程被迫终止。 (4)细胞高浓度培养时，混合情况变差，培养基中营养物质和氧的供给不足，细胞收率下降，鼓泡式反应器容易发生上述情况； (5)温度、PH值、营养物质的浓度需要控制在合适的范围内。 植物细胞的生物反应器培养存在的问题 植物细胞在放大培养过程中，产物量往往小于次一级反应器，而且次生代谢产物合成能力也会降低许多，可能是由下列因素引起。 (1)通气和搅拌引起的流体压力对细胞或积聚体造成细胞损伤、有益气体的散失、大量泡沫的生成等，这些都会对细胞生长和产物积累产生影响。 (2)高密度引起培养液黏度增加，造成细胞对营养、气体传递的抑制。 (3)反映器设计缺陷，如死角等部位细胞黏附引起的细胞死亡、腐败、营养和气体吸收限制等，搅拌浆类型缺陷或通气方式等。 (4)对产物积累相关机制、途径等(尤其是营养与环境条件)尚不是非常清楚，因此很难维持最佳培养条件。 由于上述因素的存在，截至目前，只有极少数的植物细胞培养实现了工业化，如两步法生产紫草宁