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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.
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第一节动、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。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。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、动物细胞悬浮培养生物反应器 生物反应器的特点是搅拌桨是用尼龙丝编织带制成船帆形，搅拌轴也用磁力驱动旋转，转速为20～50 r/min，氧气通过插入溶液中的硅胶管扩散到培养液内，维持液内一定的溶氧水平。 图6－1 带帆形搅拌器的罐注系统培养装置
中试及工业规模的动物细胞悬浮培养反应器混和搅拌器 图6－2 非贴壁依赖性细胞培养中试及生产规模反应器
2、动物细胞贴壁培养的反应器 图6－3 培养用的滚瓶
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200μm，壁厚为50～70μm，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。 图6－4 中孔纤维培养器
3、动物细胞微载体悬浮培养反应器 微载体 贴壁培养动物细胞的载体微珠称为微载体。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40～120μm，经生理盐水溶胀后，其直径约60～280μm。用于动物细胞培养时，要求球径较为均匀，径差小于20～25μm。溶胀后的载体比重稍大于培养液的比重，一般要求密度在1.03～1.05g/mL，以便在反应器内经缓慢搅拌后，微载体能悬浮起来。
图6－5 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：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（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1.2～1.5，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0～80 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6－6 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3～5个中空的导向搅拌桨叶，在圆筒外壁上用200目（75μm）不锈钢丝网焊成一个环状气腔，气腔下面有一圈气体分布管。
反应器运转时，圆筒由轴联动一起以0～50r/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（75μm）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。反应器运转时，圆筒由轴联动一起以0～50r/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（75μm）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。
二、植物细胞培养反应器 通用式发酵罐、鼓泡式、气升式和旋转圆筒式的生物反应器都可用于植物细胞培养。
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反应器、液固反应器及气液固三相反应器三大类。
游离酶反应器 1．搅拌罐式反应器 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6－14，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 • 1．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，CSTR）（图6－15）。这类反应器的特点是内容物的混合是充分均匀的。
2．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6－15）。
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6－15）。
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。
5．鼓泡塔型反应器 在反应中，涉及到有气体的吸收或产生，此类反应最好采用鼓泡塔型反应器，或三相硫化床反应器，其示意图如图6－17。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 决定酶反应器设计和操作性能的参数: • 停留时间τ、 转化率、 • 反应器的产率Pr、 酶的用量、 • 反应器温度、 pH值和底物浓度, • 当副反应不可忽视时，选择性Sp也是很重要的参数。
(1)停留时间τ • 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。 物料流入反应器 中的体积流量 反应器的容积 τ又称空时（空间时间space time）， 其倒数1／τ称为空速（空间速度 space velocity）。
(2)转化率 • 表明供给反应的底物发生转变的分量 分批式操作中 t时的底物浓度 底物的初始浓度 连续式操作中 流出液中底物的浓度 流入反应器内的底物浓度
(3)生产能力Pr • Pr（productivity）的定义是单位时间、单位反应器体积内生产的产物量. 分批式操作中 Pt为时间t时单位反应液 体积中产物的生成量 连续式操作中 Pout为单位体积流出液 中的产物量
(4)选择性Sp • 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。 Sp表明了整个反 应的平均选择性 asp是指从1mol底物S中 所得到产物P的摩尔数 主反应速率 瞬时（或局 部）选择性 副反应速率
酶反应器的选择 • 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.
