植物细胞工程课件第四章细胞规模化培养技术培训讲学.ppt

第四章细胞规模化培养技术;概述;4.1 概述;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。 ;Industry;Industry;规模化细胞培养是生产植物次生产物的理想途径。? ??保护生态环境 提高生产效率 ?发展新型生物技术产业;生产方式;Examples of enhancement in natural product yield in selected cell lines compare with parent plant material. (After Fowler, 1983) ;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。;80年代后，随着基因工程技术和细胞融合技术的迅速发展，已经能够把特定的外源基因通过PCR技术扩增几千倍，并可转染到动物细胞内，使其高效表达。 动物细胞培养生产的各种产品是其他植物、微生物细胞培养所无法比拟的，在人类生活特别是医学中发挥越来越大的作用。 ;4.1.2 高等生物细胞规模化培养现状;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。; 植物细胞大规模培养的技术要求： 从工程的角??讲必须要进一步研究和开发适宜于植物细胞生长和生产的生物反应器，建立最佳的控制和调节系统； 从培养技术方面讲必须满足以下三个条件：培养的细胞在遗传上应是稳定的，以得到产量恒定的产物；细胞生长及生物合成的速度快，在较短的时间内能得到较高产量的终产物；代谢产物要在细胞中积累而不被迅速分解，最好能将其释放到培养基中。;表１　动物细胞培养的产物;一、植物细胞规模化培养过程的特点及对反应器 的要求 ;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;? 植物细胞培养生物反应器*;（一）机械搅拌式反应器;图4-2 搅拌桨的类型;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 ;（二）非机械搅拌式反应器 ;2、气升式反应器 ;3、转鼓式反应器; 可以较容易地控制培养系统的理化环境，从而可以研究特定的代谢途径，并便于调节； 细胞位置的固定使其所处的环境类似于在植物体中所处的状态，相互间接触密切，可以形成一定的理化梯度，有利于次生产物的合成； 由于细胞固定在支持物上，培养基可以不断更换，可以从培养基中提取产物，免除了培养基中因含有过多的初生产物对细胞代谢的反馈抑制，也由于细胞留在反应器中，新的培养基可以再次利用这些细胞生产初生产物，从而节省了生产细胞所付出的时间和费用； ? 正是由于细胞固定在一定的介质中，并可以从培养基中不断提取产物，因此，它可以进行连续生产。;细胞固定化培养技术按照其支持物不同可以分为两大类： a、包埋式固定化培养系统：支持物多采用琼脂、琼脂糖、藻酸盐聚丙烯酰胺等； b、附着式固定化培养系统：支持物采用尼龙网、聚氨酯泡沫、中空纤维等材料。;图4-6 固定化系统示意图 a：固定床反应器；b:流化床c：膜反应器;;a;三、植物细胞反应器系统的设计与控制;图4-9 氧气的运输过程及反应器中运输的界限 ;（二）光照