六章动植物细胞培养装置和酶反应器

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1、 第六章动、植物细胞培养装置和酶反应器第六章动、植物细胞培养装置和酶反应器 第一节动、植物细胞培养装置动、植物细胞培养装置 动、植物细胞培养与微生物培养区别：1、“贴壁培养”；2、对培养基的营养要求相当苛刻；3、对培养液因搅拌而产生的流体剪切力很敏感；4、培养所需时间要比微生物培养长。5、植物细胞比微生物细胞大，生长停止时细胞浓度高，培养液粘度大。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

2、。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。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

3、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。1、动物细胞悬浮培养、动物细胞悬浮培养生物反应器生物反应器 生物反应器的特点生物反应器的特点是搅拌桨是用尼龙丝编是搅拌桨是用尼龙丝编织带制成船帆形，搅拌织带制成船帆形，搅拌轴也用磁力驱动旋转，轴也用磁力驱动旋转，转速为转速为2050 r/min，氧气通过插入溶液中的氧气通过插入溶液中的硅胶管扩散到培养液内，硅胶管扩散到培养液内，维持液内一定的溶氧水维持液内一定的溶氧水平。平。图61 带帆形搅拌器的罐注系统

4、培养装置图62 非贴壁依赖性细胞培养中试及生产规模反应器中试及工业规模的动物细胞悬浮培养反应器混和搅拌器 2、动物细胞贴壁培养的反应器、动物细胞贴壁培养的反应器图63 培养用的滚瓶滚瓶（旋转）装置 磁性搅拌装置 中孔纤维培养器图64 中孔纤维培养器该装置是由中空纤维管组成，每根中空纤维管内径为200m，壁厚为5070m，中空纤维管的管壁是半透性的多孔膜，氧与二氧化碳等小分子可以自由地透过膜双向扩散，而大分子的有机物则不能透过。动物细胞贴附在中空纤维管外壁生长，可很方便地获取营养物质和溶氧。3、动物细胞微载体悬浮培养反应器、动物细胞微载体悬浮培养反应器 微载体微载体 贴壁培养动物细胞的载体微珠称

5、为微载体。该微珠可用交换当量低的葡聚糖凝胶、聚丙烯酰胺、明胶或甲壳质等来制造，微载体球径约为40120m，经生理盐水溶胀后，其直径约60280m。用于动物细胞培养时，要求球径较为均匀，径差小于2025m。溶胀后的载体比重稍大于培养液的比重，一般要求密度在1.031.05g/mL，以便在反应器内经缓慢搅拌后，微载体能悬浮起来。图65 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

6、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。（1）中空纤维来作通气装置的微载体悬浮培养反应器 中空纤维来作通气装置的微载体悬浮培养反应器，其H/D约为1.21.5，培养液通过下层螺旋桨搅拌器被缓慢地搅动循环，转速可在080 r/min之间调节，使微载体在培养液中保持悬浮状态。该反应器最大的特点是用直径为2.5mm的聚四氟乙烯中空纤维管作为通气供氧装置。图66 带中空纤维束的动物细胞悬浮培养反应器（2）、气腔式动物细胞培养反应器 反应器内只有一个旋转圆筒，在圆筒上部有35个中空的导向搅拌桨叶，在圆筒外壁上用200目（75m）不锈钢丝网焊成一个环状气腔，气腔下面有一

7、圈气体分布管。n 反应器运转时，圆筒由轴联动一起以050r/min的转速旋转，培养液由于中空导向桨叶的搅动作用，液体与微载体的悬浮液由圆筒下部吸入，从中空导向桨叶流出，形成循环流动。在气腔内气体由分布管鼓泡，气体溶于液体中，依靠气腔丝网外液体的循环流动及扩散作用，使溶于液体中的气体成分均匀地分布到反应器内，使用200目（75m）丝网的作用是保证微载体不进入到气腔，而气泡也不流入到培养悬浮液中，避免了气泡直接与动物细胞的接触。图67 气腔式动物细胞培养反应器5升动物细胞培养反应器50升动物细胞培养反应器二、植物细胞培养反应器二、植物细胞培养反应器 通用式发酵罐、鼓泡式、气升式通用式发酵罐、鼓泡式

8、、气升式和旋转圆筒式的生物反应器都可用于和旋转圆筒式的生物反应器都可用于植物细胞培养。植物细胞培养。n工业规模进行烟草植物细胞的连续培养装置：n植物细胞培养的强制循环生物反应器 n气升环流式植物细胞培养反应器 n植物细胞培养的筛板塔式反应器 5升植物细胞培养反应器5升植物细胞培养反应器第二节第二节 酶反应器酶反应器一、酶反应器的类型一、酶反应器的类型 以酶作为催化剂进行反应所需的设备称为以酶作为催化剂进行反应所需的设备称为酶反应器。酶反应器基本上是游离酶、固定化酶反应器。酶反应器基本上是游离酶、固定化酶或固定化细胞催化反应的容器。酶反应器的酶或固定化细胞催化反应的容器。酶反应器的类型很多，其分

9、类方法也不同。根据几何形状类型很多，其分类方法也不同。根据几何形状和结构来分类，可分为罐型、管型、膜或片型和结构来分类，可分为罐型、管型、膜或片型几种。按进料和出料的方式可分为分批式、半几种。按进料和出料的方式可分为分批式、半分批式与连续反应器。按其功能结构可分为膜分批式与连续反应器。按其功能结构可分为膜反应器、液固反应器及气液固三相反应器三大反应器、液固反应器及气液固三相反应器三大类。类。表表63 酶反应器形式及其特征酶反应器形式及其特征均相均相酶反酶反应器应器型式名型式名称称适用的操作方适用的操作方式式特特 征征搅拌罐搅拌罐分批，半分批分批，半分批反应器内的溶液用搅拌器机械混合反应器内的溶

10、液用搅拌器机械混合超滤膜超滤膜反应器反应器分批，半分批分批，半分批连连 续续采用如透析膜、超滤膜、中空纤维等，只允采用如透析膜、超滤膜、中空纤维等，只允许低分子化合物而酶不能通过的膜反应器，许低分子化合物而酶不能通过的膜反应器，适用于大分子底物适用于大分子底物固定固定化酶化酶搅拌罐搅拌罐分批，半分批分批，半分批连连 续续用搅拌器搅拌，固定化酶或固定化微生物粒用搅拌器搅拌，固定化酶或固定化微生物粒子悬浮在溶液中。粒子保留在槽内子悬浮在溶液中。粒子保留在槽内固定床固定床或填充或填充床床连连 续续最广泛使用的固定化酶及固定化微生物反应最广泛使用的固定化酶及固定化微生物反应器。把固定化酶或固定化微生物

11、粒子（粒径器。把固定化酶或固定化微生物粒子（粒径100m至若干毫米）填充在塔内，底物溶液至若干毫米）填充在塔内，底物溶液一般是由下向上通入一般是由下向上通入流化床流化床分批，连续分批，连续靠溶液的流动促使固定化酶或固定化微生物靠溶液的流动促使固定化酶或固定化微生物的粒子在床内激烈搅动、混合的粒子在床内激烈搅动、混合膜反应膜反应器器连连 续续膜状或者片状的固定化酶或固定化微生物反膜状或者片状的固定化酶或固定化微生物反应器。其组件形式有中空酶管、螺旋板反应应器。其组件形式有中空酶管、螺旋板反应器、旋转圆盘型、平板型等。器、旋转圆盘型、平板型等。游离酶反应器游离酶反应器1搅拌罐式反应器搅拌罐式反应器

12、 搅拌罐式反应器是目前较常使用的搅拌罐式反应器是目前较常使用的游离酶反应器。它由容器、搅拌器及游离酶反应器。它由容器、搅拌器及保温装置组成。保温装置组成。2超滤膜酶反应器 常用的超滤膜酶反应器的结构如图614，采用这种型式的反应器时，酶处于水溶液状态。由于膜对于蛋白（大分子）物质是非透过性的，因此只允许小分子产物透过，而酶被截留回收重新使用，可节省用酶，特别适用于价格较高的酶。固定化酶反应器固定化酶反应器n1搅拌罐型反应器 有分批反应器（Batch Stirred Tank Reactor，BSTR）和连续流搅拌罐反应器（Continuos Flow Stirred Tank Reactor，

13、CSTR）（图615）。这类反应器的特点是内容物的混合是充分均匀的。n2固定床型反应器 把颗粒状或片状等固定化酶填充于固定床（也称填充床，床可直立或平放）内，底物按一定方向以恒定速度通过反应床（图615）。3流化床型反应器 流化床反应器（简称FBR，Fluidized Bed Reactor）是一种装有较小颗粒的垂直塔式反应器（形状可为柱形、锥形等）（图615）。4膜型反应器 由膜状或板状固定化酶组装的反应器均称为膜型反应器。用固定化酶膜组装成的平板状或螺旋状反应器、转盘型反应器、空心酶管和中空纤维膜反应器等都属于此类反应器。n5鼓泡塔型反应器 在反应中，涉及到有气体的吸收或产生，此类反应最好

14、采用鼓泡塔型反应器，或三相硫化床反应器，其示意图如图617。把固定化酶放入反应器内，底物与气体从底部通入。酶反应器设计和操作的参数n停留时间停留时间、转化率、转化率、n反应器的产率反应器的产率P Pr r、酶的用量、酶的用量、n反应器温度、反应器温度、pHpH值和底物浓度值和底物浓度,n当副反应不可忽视时，选择性选择性S Sp p也是很重要的参数。决定酶反应器设计和操作性能的参数:n(1)停留时间n反应物料进入反应器时算起，至离开反应器时为止所经历的时间。对于CSTR，常使用“平均停留时间”来表达。FV反应器的容积物料流入反应器中的体积流量又称空时（空间时间space time），其倒数1称为

15、空速（空间速度 space velocity）。(2)转化率n表明供给反应的底物发生转变的分量00SSSt底物的初始浓度t时的底物浓度分批式操作中inoutinSSS流入反应器内的底物浓度流出液中底物的浓度连续式操作中(3)生产能力PrnPr（productivity）的定义是单位时间、单位反应器体积内生产的产物量.tStPPtr0分批式操作中inoutrSPP连续式操作中Pt为时间t时单位反应液体积中产物的生成量Pout为单位体积流出液中的产物量(4)选择性Spn选择性Sp（selectivity）是在有副反应发生的复合反应中，能够转变为目的产物的底物变化总量中，实际上转变为目的产物的比率。

16、SSaPSspp0asp是指从1mol底物S中所得到产物P的摩尔数Sp表明了整个反应的平均选择性sppPrrrS主反应速率副反应速率瞬时（或局部）选择性酶反应器的选择n游离酶反应器的选择，可以采用一般生物反应器的选择要求来进行。固定化酶反应器的选择则有更高的要求.n固定化酶反应器的选择，除同样根据使用的目的、反应形式、底物浓度、反应速率、物质传递速率和反应器制造和运转的成本及难易等因素进行选择外，还还应考虑应考虑固定化酶的的形状、大小、机械强度、比重和再生或更新的难易；操作上的要求；反应动力学形式和物质传递特性、内外扩散的影响；底物的性质；催化剂（固定化酶）的表面反应器体积的比值等。固定化酶的

17、形式颗粒状（particle pellet）膜状（membrane，film，plate）管状（tubing）纤维状以此为多，(表面积大)催化剂的形状，可以决定反应器的大致形式凝胶包埋法的固定化酶颗粒,有必要在床内安装筛板，将凝胶适当间隔开,防止凝胶发生压缩和变形.n酶失活酶失活是不可避免的，所以要保持恒定的酶活力，就必需进行催化剂的再生、新催化剂的补充或更换，这就要求反应器应具备相应的结构。n底物的性质底物的性质是选择反应器的另一重要因素。一般来讲，细粒状和胶状底物有可能阻塞填充柱或发生分层，这时可使用循环式反应器或流化床反应器。另外，在讨论反应器的价格时，要考虑到固定化酶本身的价格有关生产

18、问答 哪一种类型和型号的泵最适合将酶制剂哪一种类型和型号的泵最适合将酶制剂加注到生产工序中？加注到生产工序中？答：诺维信建议使用位移式计量泵如隔膜式、往复式或螺杆式。其型号取决于工厂的生产规模以及特定的工艺和流量。诺维信技术服务小组可帮助您决定应使用哪一种型号的泵。酶是有生命的吗，酶有危险或致敏性吗？是否有特殊酶是有生命的吗，酶有危险或致敏性吗？是否有特殊的操作要求？的操作要求？答：不是，酶没有生命。酶是蛋白质，类似于存在于我们的唾液或胃内的蛋白质。它们催化特定类型的反应，但酶本身不会在反应过程中消耗掉，并能一次又一次地催化其它反应过程。有关酶及其作用方式的大量信息可在本网站中查到。您还可以浏

19、览本网站中酶的发现网页。因为酶是蛋白质，所以有潜在的致敏性，类似于花粉。如果操作不当，与酶反复接触，会吸入酶悬浮微粒或粉尘，可能导致敏感和过敏。所有汽油醇用酶制剂的材料数据安全表可在本网站中查到。有关产品的安全操作资料可函索。酶能够储存多久，应储存在什么条件酶能够储存多久，应储存在什么条件下？下？答：酶制剂在不同的储存条件下(如温度等)，其活力会随时间推移逐渐丧失。如果将其在5C的建议冷藏条件下储存在密闭的容器内，酶制剂将保持标称活力一年。假如在25C下储存在清洁的储存罐内，酶制剂将保持标称活力6个月。应多久清洗一次酶制剂储存罐？应多久清洗一次酶制剂储存罐？答：强烈建议您定期清洁您的酶制剂储存

20、罐。这可防止染菌及沉淀物堵塞输送管道。建议至少每年进行两次彻底的清洁。葡萄糖异构酶的激活需要多少浓度的镁离子？葡萄糖异构酶的激活需要多少浓度的镁离子？答：葡萄糖异构酶在钙浓度低(最高为2ppm)时完全激活至少需要45ppm的镁离子。钙离子的浓度越高，则需要添加的镁离子量越大。最佳添加原则是：25ppm镁离子+10X钙离子的实际ppm值。加入的最小镁离子量为45ppm。1ppm钙离子加45ppm镁离子；2ppm钙离子加45ppm镁离子；3ppm钙离子加55ppm镁离子；5ppm钙离子加75ppm镁离子。喷射器的设计对于液化是否很重要？喷射器的设计对于液化是否很重要？答：喷射器是工厂中最重要的单体

21、设备，但又常常最容易被忽视。就象对待赛车的引擎一样，必须对喷射器进行仔细的调试以使其发挥最佳功效，而其内部的维持管和喷嘴也需要定期查验。为使操作正常，维持管应在特定的流量范围内设计，并在操作期间进行调整，使压差至少保持在40psi(3巴)以上，以确保最大剪切力。如喷射器调试不当，可能导致成品中存在未转化的淀粉。液化后为什么必须使液化后为什么必须使-淀粉酶失活？淀粉酶失活？答：如果-淀粉酶在液化过程中产生的活性在糖化过程中继续存在，在成品中将会发现潘糖的含量升高(通常升高0.3-0.5%)。这是因为用于液化的地衣芽孢杆菌或嗜热芽孢杆菌淀粉酶能够在支链淀粉的支链各点之后即将-1，4糖苷键链分离，形成所谓潘糖前体。葡糖淀粉酶的水解作用(从非还原端开始)最终将这些前体转化为潘糖。