發酵機械與設備徐明芳博士教授暨南大學生科院2015-11-13目錄緒論第一篇生物質原料處理設備第二篇生物反應設備第三篇產物分離設備第四篇其他設備底物生物反應器檢測控制儀表培養基（滅菌）經加工原料酶細胞生物催化劑（游離或固定化）機械能除菌空氣產品提取純化副產品產品廢物熱能原材料營養物典型工業生物技術過程核心技術？第一篇生物質原料處理設備第一章生物質原料預處理設備第二章生物細胞培養基制備設備第三章生物培養基滅菌設備第四章原料（物料）輸送設備第二篇生物反應設備第一節發酵設備概述第二節通風發酵罐結構與工作原理第三節自吸式發酵罐結構與工作原理第四節氣升式發酵罐(ALR)結構與工作原理第五章生物反應器—通風攪拌發酵罐第六章厭氧（嫌氣）發酵設備

第一節

酒精發酵設備第二節啤酒發酵設備第三節連續發酵設備第二篇生物反應設備第七章生物反應器—細胞培養反應器第一節植物細胞反應器第二節動物細胞反應器第三節微藻培養反應器第六章厭氧（嫌氣）發酵設備第五章生物反應器—通風攪拌發酵罐底物生物反應器檢測控制儀表培養基（滅菌）經加工原料酶細胞生物催化劑（游離或固定化）機械能除菌空氣產品提取純化副產品產品廢物熱能原材料營養物典型工業生物技術過程核心技術？思考題1、有幾種植物細胞（組織）培養的類型與特點2、簡述植物體細胞雜交培養的過程3、植物細胞培養與微生物的區別？4、常用的植物生物反應器有哪些？那種反應器更適合植物細胞培養，具有什么優缺點？5、舉例說明植物細胞培養的流程與應用6、植物細胞培養工業化生產需解決的難題7、有哪兩種動物細胞培養方法？其特點？8、動物細胞培養可生產的生物制品？9、動物細胞培養生產生物制品工藝實例10、動物細胞培養與植物細胞培養的特點有什么差異性11常用的動物生物反應器有哪些？12常用的藻類生物反應器有哪些？

植物細胞培養技術包括植物器官（根、枝葉、發根、胚和冠癭組織等）、組織、細胞以及原生質體培養，并以此發展起來的各種植物細胞培養技術。第一節植物細胞培養第一節植物細胞（組織）培養反應器

1植物細胞（組織）培養

2植物細胞培養反應器

3植物組織培養反應器GottleibHaberlandt

1902年德國植物學家Haberlandt在營養液中成功地培育了單個植物細胞，盡管未能使其分裂生長，但為植物細胞培養翻開了新的一頁。

Haberlandt提出植物細胞的“全能性”學說，植物細胞的全能性：植物的體細胞具有母體植株全部遺傳信息并發育成為完整個體的潛力，因而每一個植物細胞可以像胚胎細胞那樣，經離體培養再生成植株。

一般采用植物的體細胞(二倍體細胞)，先經纖維素酶處理去掉細胞壁(原生質體)。將原生質體放在合適的培養基上，經過誘導分化可以重新長成植株。原生質體也可用于植物細胞融合，然后誘導形成新的植株。原生質體培養1植物細胞（組織）培養---(1)植物原生質體培養1植物細胞（組織）培養---(2)植物組織培養(planttissueculture)植物組織培養：離體的植物器官、組織、細胞植物體愈傷組織脫分化根芽再分化脫分化：由高度分化的植物器官、組織或細胞產生愈傷組織的過程，稱為植物細胞的脫分化。再分化：脫分化產生的愈傷組織繼續進行培養又可以重新分化成根或芽等器官，這一過程稱為植物細胞的再分化。植物組織培養(1)(1)(3)1植物細胞（組織）培養---(3)植物體細胞雜交(5)植物A細胞植物B細胞去壁原生質體A原生質體B原生質體融合融合體再生壁雜種細胞細胞分裂愈傷組織雜種植株(2)(4)植物細胞培養與微生物的區別：細胞的大小—大細胞塊的形狀—易成快培養液的黏度-需氧量

Kla

值比微生物培養的Kla值小得多對剪切力敏感需CO2和光照2植物細胞培養(plantcellculture)

植物細胞培養具有的優點：（1）代謝產物的生產完全在人工控制條件下進行，可以通過改變培養條件和選擇優良培養體系得到超整株植物產量的代謝產物；（2）培養在無菌條件下進行，可排除病菌和蟲害侵擾；（3）可以進行特定的生物轉化反應；（4）可以探索新的合成路線和獲得新的有用物質等。2植物細胞培養(plantcellculture)2植物細胞培養反應器StirredTankBioreactors2植物細胞培養反應器（1）機械攪拌式反應器優點：混合性能好傳氧效率高操作彈性大可用于細胞高密度培養；缺點：剪切力大。

懸浮培養生物反應器盡管機械攪拌反應器已成功用于許多細胞的培養中，反應器內的溫度、pH、溶氧及營養物質濃度較其他反應器更易控制等優點，但由于機械攪拌造成的剪切力以對植物細胞造成較大的損傷，對次級代謝產物的合成也會產生影響，同時會帶來染菌和機械上的問題，因此需篩選出抗剪切力的細胞系，也可對反應器結構進行改造，尤其是攪拌槳的結構和類型的改進，使其具有緩和、充分的攪拌效果。圖示目前規模最大的植物細胞培養反應器裝置2植物細胞培養反應器

機械攪拌式反應器機械攪拌通風式生物反應器非攪拌式反應器所產生的剪切力較小，結構簡單。其主要類型有鼓泡式反應器、氣升式反應器等氣體攪拌式反應器

2植物細胞培養反應器

（2）非機械攪拌式反應器---氣升式BubbleColumnBioreactor植物細胞培養反應器

非機械攪拌式反應器Air-liftBioreactor植物細胞的培養比較多地采用各種非機械攪拌生物反應器，其中常用的是氣體攪拌生物反應器。氣體攪拌生物反應器沒有活動的攪拌裝置，在很大程度上減少了剪切力，并能在長期操作中保持無菌。氣體攪拌生物反應器包括鼓泡塔和氣升式反應器等。氣體攪拌生物反應器結構較簡單，氧傳遞效率高，剪切力低，對細胞的損傷小，容易實現長期無菌培養，較適用于植物細胞培養。缺點：操作彈性小，低氣速時尤其在培養后期細胞密度較高時，混合效果較差。如果提高通氣量，又會產生大量泡沫，也易于驅除培養液中的二氧化碳和乙烯，對細胞生長有阻礙作用。過高的溶氧對植物細胞合成次級代謝產物不利。植物細胞培養反應器紫草細胞培養紫草種子無菌幼根LS培養基愈傷組織誘導培養懸浮細胞懸浮培養細胞增殖培養一級培養利用“優勢互補”原則，將兩種反應器結合起來研究出組合式反應器。帶有低速攪拌的氣升式發酵罐可彌補低氣速時混合性差的弱點。植物細胞培養反應器

（3）組合式反應器光生物反應器植物細胞培養反應器

固定化細胞生物反應器

（4）填充床反應器（5）流化床反應器細胞可以位于支撐物表面，也可包埋于支撐物之中，培養液流經支撐物顆粒，不斷被細胞利用。優點：單位體積固定細胞量大。缺點：混合效果低，對必要的氧傳遞、pH、溫度控制和氣體產物的排除造成困難，影響細胞的培養。利用液體的能量來懸浮顆粒。顆粒呈流化狀態所需的能量與顆粒大小成正比，因此常采用小固定化顆粒，這些小顆粒良好的傳質特性是流化床反應器的優點，缺點：剪切力和顆粒碰撞會損壞固定化細胞。植物細胞培養反應器

流化床反應器植物細胞培養反應器

流化床反應器植物細胞培養反應器

（6）固定化細胞膜反應器中空纖維螺旋卷繞反應器采用具有一定孔徑和選擇透性的膜固定植物細胞。營養物質通過膜滲透到細胞中，細胞產生的次級代謝產物通過膜釋放到培養液中。主要有：中空纖維反應器和螺線式卷繞反應器，優點：可以重復使用3植物組織培養反應器

發狀根大規模培養植物組織培養反應器

(1).小植物的大規模快速繁殖

淺層循環式植株快速繁殖器

雙層板徑向流生物反應器植物組織培養反應器

小植物的大規模快速繁殖

內環噴霧生物反應器4植物細胞培養的應用（1)西洋參細胞培養無菌根愈傷組織懸浮細胞發酵液乙醇消毒誘導培養懸浮培養大量培養西洋參根細胞過濾西洋參細胞干粉成品干燥植物細胞的生產流程與應用

(2)藥物的生產植物細胞產物產物作用紫草細胞紫草寧抗炎劑、食用色素苦瓜細胞類胰島素治療糖尿病長春花細胞長春花堿治療白血病藥紅豆杉細胞紫杉醇抗癌藥物毛地黃細胞毛地黃毒素強心劑紫草種子無菌幼根愈傷組織懸浮細胞細胞增殖培養LS培養基誘導培養懸浮培養一級培養產物培養二級培養發酵液細胞收集過濾產物提取分離成品干燥紫草細胞培養生產紫草寧(Shikonin)植物細胞培養的應用(3)代謝產物的生產植物細胞培養的應用

植物細胞培養工業化生產需解決的難題

縮短生產周期、降低生產成本提高培養細胞中的有效成分含量防止細胞集聚成塊防止細胞株的種性退化和變異研制更能適合植物細胞生長的生物反應器第二節動物細胞融合1、動物細胞培養將動物組織或細胞從機體取出，分散成單個細胞，給予必要的生長條件，模擬體內生長環境，使其在體外繼續生長和繁殖。根據生物反應器的不同用途，有懸浮培養、貼壁培養、包埋培養用生物反應器等。種類上大致有塑料袋增殖器、填充床增殖器、多層板增殖器、螺旋膜增殖器、槳式攪拌反應器、棒式攪拌反應器、船舶推進槳攪拌反應器、傾斜槳葉攪拌反應器、船帆形攪拌反應器、往復振動錐孔篩板攪拌反應器、籠式通氣攪拌反應器、雙層籠式通氣攪拌反應器、空氣提升式反應器等。表５－１示為某些生物反應器的主要特性。雜交瘤技術動物細胞培養反應器

1動物細胞培養方法

2動物細胞培養技術的應用

3動物細胞培養的特點

4細胞培養的操作方式

5細胞培養反應器體外培養的動物細胞根據它們在培養器皿是否能貼附于支持物上生長特征，可分為貼附型生長和懸浮型生長兩大類。貼附型細胞在培養時能貼附在支技物表面生長。大多數動物細胞屬于貼壁型細胞，如Hela、Vero、BHK、CHO細胞系。懸浮型細胞在培養中懸浮生長。來源于血液、淋巴組織的細胞，許多腫瘤細胞和某些轉化細胞。1動物細胞培養方法1動物細胞培養方法（1）貼壁培養(單層細胞培養)

分散的細胞懸浮在培養瓶中很快(幾十分鐘至幾小時)就貼附在瓶壁上，

稱為細胞貼壁，

貼壁后的細胞形態形成多態性，

呈單層生長，

所以此法又叫單層細胞培養。（2）懸浮培養

細胞在培養器中自由懸浮生長的過程，不貼壁，主要用于懸浮型細胞培養，如淋巴細和腫瘤細胞的培養。（3）固定化培養

一種包埋培養。對兩類細胞都適用，細胞生長密度高，抗剪切力和抗污染能力強。懸浮型細胞常用海藻酸鈣包埋，貼壁型細胞常用膠原包埋。1動物細胞培養方法動物細胞培養可生產的生物制品1.病毒疫苗：口蹄疫(FMD)、狂犬疫苗等2.非抗體免疫調節劑：干擾素(IFN)、白介素(IL)等3.多肽生長因子：神經生長因子(NGF)、成纖維細胞生長因子(FGF)4.酶：組織血纖維溶酶原激活劑(t-PA)5.激素：紅細胞生成素(EPO)、促黃體生成素(LH)6.病毒殺蟲劑7.腫瘤特異性抗原：癌胚抗原(CEA)8.單克隆抗體9.皮膚重植10.細胞2動物細胞培養技術的應用2動物細胞培養技術的應用

動物細胞培養生產生物制品工藝實例

1.組織纖溶酶激活劑生產工藝流程細胞單層細胞懸液細胞培養物培養培養液提取液

層析液濃縮液層析液tPA成品分散分離提取層析純化濃縮層析精制凍干2.抗HBsAS的單克隆抗體生產工藝流程培養液雜種細胞混合物大鼠骨髓瘤＋免疫大鼠脾淋巴細胞融合融合混合物篩選克隆化雜交瘤克隆系種質培養細胞種質擴大培養分離粗制McAb精制層析液超慮濃縮液凍干McAb精品雜交瘤技術動物細胞培養的特點1.細胞生長緩慢，易受微生物污染，培養時需要抗生素；2.動物細胞較微生物大得多，無細胞壁，機械強度低，適應環境能力差；3.培養過程需氧量少，且不耐受強力通風與攪拌；4.在機體中，細胞相互粘連以集群形式存在；5.培養過程產物分布于細胞內外，成本高，產品價格昂貴；6.大規模培養時，不可套用微生物反應的經驗；7.原代培養細胞一般繁殖50代即退化死亡。3動物細胞培養的特點動物細胞培養反應器無論是貼壁細胞還是懸浮細胞，深層培養的操作方式可分4細胞培養的操作方式分批式、流加式、半連續式、連續式和灌注式。分批式操作操作簡單、是最常用的操作方式。分批式培養過程中，細胞的生長可分為延遲期、對數生長期、減速期、平穩期和衰退期分批式培養細胞生長曲線流加式操作

半連續式操作4細胞培養的操作方式能夠調節培養環境中營養物質的濃度。

連續操作能提高細胞密度，應用于培養懸浮型細胞。

灌注培養大大提高細胞密度，有助于產物的表達和純化。5動物細胞培養反應器動物細胞培養反應器它是根據動物細胞培養時要求剪切力小、混合性能好的特點開發出來的生物反應器。主要有Spier籠式通氣攪拌生物反應器、CelliGen籠式通氣攪拌生物反應器和CellCul-20雙層籠式通氣攪拌生物反應器動物細胞培養反應器通氣攪拌式細胞培養反應器動物細胞培養反應器

通氣攪拌式細胞培養反應器１Spier籠式通氣攪拌生物反應器

特點可以避免在向培養基中通氣時氣泡直接損傷細胞；在采用微載體系培養時，微載體不會被由于通氣所產生的泡沫囊夾在氣液界面；通過一個多孔的通氣裝置在籠內通氣以滿足培養時溶氧的需要。在鼓泡通氣過程中所采用的泡沫經管道進入液面上部的由不銹鋼絲網制