微生物培养、动物细胞培养、植物细胞培养如何选择相应的生物反应器?
◆区别:首先,在培养基上,固体和半固体培养基中都有微生物,主要成分有水、无机盐、生长因子、碳源、氮源等。如果是病毒,要用细菌培养;对于动物来说,最好使用含有生长因子的天然培养基,通常是液体培养基,主要含有水、葡萄糖、氨基酸、无机盐、维生素和动物血清;植物培养基可以是合成培养基,一般是固体培养基,成分主要是矿质元素、蔗糖、纤维素、植物激素和有机添加剂。其次,他们各自文化的原理不同。微生物细胞培养的原理是微生物细胞的增殖,动物细胞培养的原理是细胞的增殖,植物细胞培养的原理是细胞的全能性。
最后,微生物细胞培养主要是获取其代谢产物或次生代谢产物或获取细胞本身;植物细胞培养是获得新的个体或细胞产物,应用并快速繁殖试管苗、细胞产物、人工种子和转基因植物的培养。动物细胞培养是为了获得大量新的细胞或细胞产物,应用是为了获得细胞产物或细胞。此外,胰蛋白酶用于动物细胞分散,纤维素酶用于植物。
◆相似之处:两者都需要培养基,无菌操作,防止细菌污染,培养时温度适宜。
◆综上,见下表:
微生物动物细胞、植物细胞
大小(um)1 ~ 10 ~ 10 ~ 100 ~ 10。
大部分细胞附着在表面可以实现悬浮生长,但容易结块,没有单细胞。
营养要求很简单,很复杂,也很复杂。
生长速度快,倍增时间慢0.5~5小时,倍增时间慢15~100小时,倍增时间慢24~74小时。
代谢调节内部内部,激素内部,激素
环境敏感,不敏感,非常敏感,能容忍的范围很广。
细胞分化有高有低。
剪切敏感性低、非常高和非常高。
传统的突变和筛选技术应用广泛,不常使用,有时使用。
细胞或产物的浓度有高有低。
因为它们使用的培养基不同,培养需要的条件也不同,所以在大规模生产我们需要的目标产品时,需要选择相应的生物反应器。在选择生物反应器时,要注意生物反应过程中气液传质、液固传质等剪切力和传质问题。生物反应器是利用生物催化剂为细胞培养(或发酵)或酶反应提供良好反应环境的装置,通常称为发酵罐或酶反应器。用于污水生物处理的曝气池或厌氧消化池也可作为生物反应器的一种。生物反应器是生物反应过程中的关键设备,其结构、运行方式和操作条件与生物技术产品的质量、转化率和能耗密切相关。现在,将描述三种生物反应器。
(1)选择用于微生物细胞培养的生物反应器
生物处理的主体是各种具有特定功能的微生物。由于恶臭的氧化分解,微生物细胞一方面获得生物所需的能量,另一方面获得细胞增殖所需的细胞物质,从而维持细胞正常的生命活动。微生物有自己的新陈代谢,代谢活动都是在酶的作用下进行的。只有创造适宜的生存条件,充分发挥酶的作用,微生物才能正常生长,才能利用有气味的物质作为生长的能源、碳源和氮源。因此,选择微生物细胞培养生物反应器首先要保证微生物生长的基本条件。根据微生物培养的特点,一般选用膜生物反应器和光合微生物生物反应器。
(2)动物细胞培养生物反应器的选择
动物细胞和微生物细胞有很大的区别,体外培养有严格的要求。比如动物细胞对剪切力非常敏感,反应器的选择不可能有微生物细胞那么高的剪切力。因此,传统的微生物细胞生物反应器在应用于动物生物反应器之前需要进行改造。动物细胞培养可分为三种类型。一种是悬浮培养,是指细胞在培养箱中悬浮生长的过程。非贴壁细胞要勇敢。这样的细胞在体外不需要贴壁,可以通过微生物方法悬浮在培养基中。这类细胞培养可选用的相应反应器有:搅拌反应器、中空纤维反应器、陶瓷矩形通道蜂窝反应器和气升式反应器;另一种是单层培养,是指必须附着在固体培养基表面的细胞培养。主要适用于贴壁依赖细胞(也称贴壁细胞),大多数动物细胞都属于这一类型。这些细胞的生长需要附着在一些带适度正电荷的固体和半固体表面。细胞贴附生长后,不再是原来的形状,一般是单一的,主要有成纤维细胞型、上皮型、游走型和多形性。可选择用于这种细胞培养的生物反应器有:搅拌反应器(微载体培养)、玻璃珠床反应器、中空纤维反应器、陶瓷矩形通道蜂窝反应器等。另一类是固定化培养,既适用于贴壁依赖细胞,也适用于非贴壁依赖细胞,具有细胞生长密度高、抗剪切能力强、抗污染能力强等优点。用于这种细胞培养的生物反应器有:流化床反应器、固化床反应器等。
(3)植物细胞培养生物反应器的选择
起初,大多数用于植物细胞培养的生物反应器使用微生物反应器。因为植物细胞的形态结构与微生物细胞不同,植物细胞比微生物细胞大,需要的氧气少,但对剪切力非常敏感,不能像微生物培养那样用高剪切力搅拌,所以混合更重要。目前,由于植物细胞悬浮技术的发展,单细胞培养的成功以及各种新型生物反应器的出现,使得植物细胞像微生物一样在发酵罐中大规模连续培养成为可能。用于植物细胞培养的反应器主要包括搅拌式、非搅拌式等新型生物反应器,以及植物细胞固定化反应器和膜生物反应器。
总之,在选择相应的生物反应器之前,要了解这类细胞培养的特点及其注意事项,以选择相应的反应器。