植物细胞工程课件 第四章 细胞规模化培养技术.ppt

第四章细胞规模化培养技术 4.1 概述 细胞规模化培养在现代工业中的潜力 高等生物细胞规模化培养现状 4.1.1细胞规模化培养在现代工业中的潜力 在植物生物技术中，应用培养细胞系统合成有用的天然产物，很可能发展成为一个广义的化学工业的一个组成部分。长期以来，植物一直是许多化学品的主要资源，特别在制药和食品加工业中更是不可缺少。据不完全统计，至少有20％左右的药物是由植物衍生而来的，而且每年都可发现许多植物来源的新化合物。 植物次生代谢产物在医药、食品、轻化工业等领域具有重要意义。 ?李时珍（1593）在《本草纲目》中所开列的1892种药物绝大多数是植物药物，目前仍有约25％的法定药品来自植物。其药物的有效成分均为次生产物。? 许多植物次生代谢产物是优良的食品添加剂和名贵化妆品原料。有些是生物毒素的主要来源，可以用于杀虫、杀菌，而对环境和人畜无害，是理想的环保产品。 70年代后期，基因工程使得外源基因成功地在微生物中得以表达，由于其简单快速、生产效率高，逐渐形成了以原核细胞为培养对象的基因工程技术和大规模微生物培养技术，一度大有取代动物细胞培养这势。 但许多生物活性蛋白不能在微生物工程菌细胞中表达，而只能在动物细胞中产生。也不能将蛋白质产物自动分泌到细胞外，给产物分离带来麻烦。 4.1.2 高等生物细胞规模化培养现状 1956年，Nichell和 Routin提出了植物细胞培养生产化合物的第一个专利申请。 20世纪60年代以来，组织培养的迅速发展为细胞培养奠定了技术基础。各种细胞培养基的设计、植物细胞生物反应器的研制、植物细胞培养动力学研究、植物细胞培养生产次级代谢物的调节控制理论与应用等方面的研究都取得了显著进展。 1979年，国际组织培养协会专业术语委员会建议将组织培养和细胞培养的概念加以区分。以此为契机，20世纪80年代以来植物细胞培养进入了高速发展阶段。 愈伤组织培养既属于组织培养又属于细胞培养。 1983年，日本三井石油化学工业公司再世界上首次成功的采用紫草细胞培养工业化生产紫草宁。 此后，人参细胞培养生产人参皂苷，黄连细胞培养生产小檗碱，长春花细胞培养生产长春花碱，红豆杉细胞培养生产紫杉醇等相继取得成功，迄今为止，已经从400多种植物中分理出细胞，并通过细胞培养，获得600多种化合物。 一、植物细胞规模化培养过程的特点及对反应器 的要求 与微生物细胞的差别 抗剪切能力弱 有聚集成团的趋势 好气性 操作周期较长 总体上讲，适合植物细胞培养的反应器应该具有适宜的氧传递、良好的流动性和较低的剪切力，根据不同植物细胞生长和代谢产物积累特点。 二、植物细胞反应器的类型与特点 （一）机械搅拌式反应器 （1）搅拌桨型式的改进： 一般认为，涡轮状叶轮优于平叶轮，而平叶轮又优于螺旋状叶轮。因此采用适宜的搅拌桨类型和结构可使植物细胞的生长不受损害，最常用的是标准Rushton涡轮机。 在高粘度培养基中，需要使用其他类型直径较大的叶轮，如大的搅拌桨及螺旋式叶轮。 法国Inceltech公司成功地研制了带有倾斜刀片的涡轮，该结构提供了混合的轴向流和辐射流。 Kaman等设计了带有一个双螺旋带状叶轮和三个表面挡板的搅拌罐，实验证明其适合于剪切力敏感的细胞高密度培养。 钟建江等通过培养紫苏细胞进行比较，发现带以微孔金属丝网作为空气分布器的三叶螺旋桨反应器 (MRP) 能提供较小的剪切力和良好的供氧及混合状态，优于六平叶涡轮桨反应器，并认为在高浓度细胞培养时，MRP型反应器将显示更大的优越性。 （2）搅拌方式也会对剪切剪切作用产生影响 Hvoslef－Eide等利用螺旋形搅拌式生物反应器对挪威云杉( Picea abies) 和桦树( Betula pendula) 的体胚进行大量繁殖，发现在较低的搅拌速度下变换搅拌的方向可以降低剪切力，搅拌器的搅拌方向每10s变换1次时，30rpm的搅拌速度就可以有较好的混合性能。 3、转鼓式反应器 转鼓式生物反应器是一种新型的反应器, 它是利用转子的转动促进液体中溶氧与营养物的混合。通过应用不同反应器对烟草细胞悬浮培养的研究发现，相同条件下转鼓式反应器中细胞生长速率高，其氧的传递及细胞所受剪切损伤均优于气升式反应器。 三、植物细胞反应器系统的设计与控制 氧气的运输速率（OTR）由以下方程式给出： 式中， ——液相运输系数（ ）； a——总界面面积（ ）； ——溶解氧的理论饱和浓度（ ）； ——任何情况下液相中实际测量的溶解氧浓度（ ）。 （二）光照系统的增设 考虑：光源的安装、光的传递、反应