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植物生物反应器专业：学号：姓名：生物反应器：中文名称：生物反应器 英文名称：bioreactor • 定义： 用于生物反应过程的容器总称包括 酶反应器(游离酶和固定酶反应器)、固定细 胞反应器、各种细胞培养器、发酵罐和转基 因动植物等可用于制备或生产某些生物反 应产物，有的可作为生物传感器生物工程 上的生物反应器是在体外模拟生物体的功能 ，设计出来用于生产或检测各种化学品的反 应装置 植物生物反应器• 随着分子生物学的迅速发展，植物遗传转化技术 也不断提高与完善，植物基因工程取得了巨大的 成就，通过转基因用植物体表达外源蛋白 (包括 疫苗，抗体，药用蛋白)已成为植物基因工程领域 内一个研究的热点，正在逐步形成产业化，具有 极大的市场前景和商业价值植物生物反应器就 是利用植物这个系统，包括植物细胞，组织器官 以及整株植物，通过大规模种植生产具有高经济 附加值的医用蛋白、工农业用酶、特殊碳水化合 物、生物可降解塑料、脂类及其它一些次生代谢 产物等生物制剂的方法 植物细胞培养反应器• 植物细胞培养具有周期长、细胞抗剪切能力弱、 易团聚等特点同时，植物细胞规模培养的目的 是生产天然产物，而这些天然产物均为细胞此生 代谢物。

所以，植物细胞培养反应器的设计，不 仅要考虑有利于细胞生长，同时还要考虑有利于 产物的积累和分离总体上讲，适合植物细胞的 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 物积累的特点，目前已研究设计出多种类型的反 应器用于植物细胞培养 悬浮培养生物反应器1机械搅拌生物反应器尽管机械搅拌反应器已成功用于许多细胞的培养中， 反应器内的温度、pH、溶氧及营养物质浓度较其他反应器 更易控制等优点，但由于机械搅拌造成的剪切力以对植物 细胞造成较大的损伤，对次级代谢产物的合成也会产生影 响，同时会带来染菌和机械上的问题，因此需筛选出抗剪 切力的细胞系，也可对反应器结构进行改造，尤其是搅拌 桨的结构和类型的改进，使其具有缓和、充分的搅拌效果 2非机械搅拌式反应器植物细胞的培养比较多地采用各种非机械搅拌生物反 应器，其中常用的是气体搅拌生物反应器气体搅拌生物 反应器没有活动的搅拌装置，在很大程度上减少了剪切力 ，并能在长期操作中保持无菌气体搅拌生物反应器包括 鼓泡塔和气升式反应器等气体搅拌生物反应器结构较简 单，氧传递效率高，剪切力低，对细胞的损伤小，容易实 现长期无菌培养，较适用于植物细胞培养。

固定化细胞生物反应器1填充床生物反应器细胞可以位于支撑物表面，也可包埋于支撑物之中， 培养液流经支撑物颗粒，不断被细胞利用优点：单位体 积固定细胞量大缺点：混合效果低，对必要的氧传递、 pH、温度控制和气体产物的排除造成困难，影响细胞的培 养 2流化床生物反应器利用液体的能量来悬浮颗粒颗粒呈流化状态所需的 能量与颗粒大小成正比，因此常采用小固定化颗粒，这些 小颗粒良好的传质特性是流化床反应器的优点，缺点：剪 切力和颗粒碰撞会损坏固定化细胞 3膜生物反应器采用具有一定孔径和选择透性的膜固定植物细胞营 养物质通过膜渗透到细胞中，细胞产生的次级代谢产物通 过膜释放到培养液中主要有：中空纤维反应器和螺线式 卷绕反应器，优点：可以重复使用植物细胞反应器的选择和设计 植物细胞反应器的选择和设计需注意： 1氧的供给对于间歇培养，体积溶氧系数klα需要10- 15h-1; 2剪切力反应器的剪切力尽可能小； 3细胞的黏附细胞培养过程容易黏附在反应器壁上， 并产生大量的泡沫，导致细胞量和代谢产物减少 ，严重时培养过程被迫中止； 4细胞高密度培养时，混合情况变差，培养基中营养 物质和氧的供给不足，细胞收率下降； 5温度、pH、营养物质的浓度须控制在合适的范围 内有关技术问题 1培养中的植物细胞特性植物细胞的大规模培养技术是在微生物生物反应器技 术的基础上建立起来的，但是植物细胞培养过程的操作条 件与微生物培养具有较大的差异。

这些差异主要表现在： a、植物细胞的体积与微生物相比要大得多，其平均直径 是微生物细胞的30-100倍b、植物细胞很少单细胞的形 式悬浮生长，通常是以直径2mm大小的多细胞团方式存在 于培养系统中，由于组成细胞团的细胞数量差异，容易在 培养系统中形成非均匀相的集合细胞团c、植物细胞的 纤维素细胞壁虽然使细胞具有很强的抗张强度，却使其抗 剪切的能力相当弱d、植物细胞生产速度慢，因此操作 周期厂，因此，植物细胞培养中维持无菌环境的难度也较 大 2植物小培养液的流变特性对细胞培养液的流变特性的研究资料很少，人们常常 用黏度来描述培养的流变学特性培养过程中培养液的黏 度变化可由细胞本身和细胞分泌物引起3植物细胞培养过程的O2与CO2调节所有植物细胞都是好氧气的，培养过程中需要连续不 断地供氧由于植物细胞对溶氧的变化非常敏感，太高或 太低均会对培养基过程产生不良的影响，因此，大规模植 物细胞培养对供氧和尾气氧的监控十分重要氧气从气相 到细胞表面的传递是植物细胞培养中的一个基本问题 4泡沫和表面黏附性植物细胞大规模培养中易产生大量的泡沫，且覆盖有 蛋白质和黏多糖，因而黏性大，细胞极易被包埋其中从循 环的培养液中带出来，形成非均相培养，从而影响系统的 稳定性和生产率。

5剪切力对植物细胞的影响在大规模的培养中，植物细胞对剪切力的敏感性一直 能够是力求解决的重要技术问题之一流体剪切力对植物 的影响包括正负两方面适当的剪切力可以增加培养系统 的通气性，保持良好的混合状态和分散性，从而提高细胞 的生物量和增加此生产物的积累但在细胞能够忍受的剪 切力范围之内，生物反应器增家剪切的设计往往比降低剪 切力要容易因此，目前细胞的研究大多集中在剪切力对 植物细胞的伤害这一问题上我国的研究现状• 我国植物生物反应器的研究始于上世纪90年代初期， 虽然在构建高效植物表达载体和培育转基因植物等主要技 术环节上与国外相差无几，但在研究的广度和深度上与发 达国家相比却存在很大差距幸运的是，由于国家有关方 面已意识到植物生物反应器的重要性，所以在制订“九五 ”计划时，选择了“利用转基因植物生产口服疫苗和生物 可降解塑料”等4个研究课题作为探索性项目而予以资助 九五”期末，已获得如下研究成果： • 将乙型肝炎病毒包膜的蛋白基因导入马铃薯和番茄中 ，获得了高效表达该外源基因的工程植株，小鼠口服接种 实验表明该重组抗原蛋白可诱导特异性的保护性抗体产生 ，已进入临床应用研究的前期准备阶段，相关转基因植物 已进入环境释放阶段。

• 已将产毒素大肠杆菌热敏毒素b亚基及定居因子CS6B 抗原蛋白基因导入马铃薯中，获得了高效表达重组抗原蛋 白的转基因马铃薯植株，小鼠的口服接种实验证实可诱导 特异性保护抗体产生，相关转基因植物已进入环境释放阶 段 • 获得了口蹄疫流行株的基因文库及我国常发 生的O型口蹄疫口服疫苗VP1基因，拥有相应的口 蹄疫诊断技术和疫苗评价标准，已成功地利用TMV 载体大量表达出与TMV外壳蛋白融合的多个口蹄疫 病毒表面抗原小肽，可从100克烟草叶片中得到1- 2克含口蹄疫病毒“OK1”株系抗原决定小肽（11 肽和14肽）的融合蛋白对模式动物豚鼠进行的 免疫实验结果表明，这些融合蛋白小肽具有良好 的免疫原性，可作为预防口蹄疫的安全的新一代 基因工程疫苗 • 建立了农杆菌介导的胡萝卜转化系统，已在 烟草和胡萝卜中表达了CTB，霍乱毒素b亚单位（ CTB）的表达量达到0.1%通过在CTB基因前导入 烟草病程相关蛋白PR1b的信号肽序列，使CTB在烟 草中的合成量提高了20多倍，并通过一步亲和层 析法从烟叶中提纯了CTB 应用价值• 由于利用重组DNA技术生产的大多数治疗用血液蛋白几乎 都是在哺乳动物细胞表达系统中生产出来的。

该系统的主 要优点是所表达的重组蛋白能够进行正确的折叠及完成其 他翻译后加工过程的机会比较高，然而，有许多因素仍然 限制哺乳动物细胞表达系统的广泛应用所以利用植物作 为生物反应器生产具有临床应用价值的药用蛋白日益引起 人们的关注尤其是当重组蛋白需求量比较大，供给时间 又是长期的话，利用植物表达系统很显然是一个不错的选 择，它除了具备其它真核生物表达系统共有的那些优点外 ，还有一些是其它表达系统所不具备的例如，利用植物 所收获重组蛋白的数量仅仅受到植物种植面积的限制普 通的农业措施就可以产生令人吃惊的生物材料，例如，采 用高密度种植的烟草每公顷可以产生170公吨的生物材料 假定在实验室规模所生产的重组蛋白水平在田间生产仍 能够保持的话，那么170公吨的材料中有100公吨是叶子， 每公顷土地就可以产生50公斤的分泌型抗体IgA或100公斤 的重组葡萄糖脑苷脂酶（Glucocerebrosidase）展望 • 许多实验证明，在植物细胞培养过程中，抑制细胞生 长和损伤细胞的主要是剪切力，而不是氧供应不足，相反 ，过高的氧浓度往往抑制细胞生长和产物合成提高混合 程度，减低剪切力，是目前设计适于植物细胞培养反应器 的主要原则，但如果能提高植物细胞对剪切力的耐受程度 ，将大大简化反应器的选择和设计问题。

很多情况下，剪 切力抑制产物的合成，但对生长影响不大，探讨其机理有 助于采取相应措施解决对于需要光照的细胞，还要考虑 光源的设置、光传递及光的产热问题 • 不同植物细胞的特性，如对剪切力的耐受性、结团情 况、倍增时间、对氧和光的需求等各不相同，没有哪种反 应器能满足所有植物细胞的要求，实验中应根据细胞特性 采用合适的反应器，进一步研究各种植物细胞和不同反应 器中流体力学的性质，可为选择和设计植物细胞培养反应 器提供可靠的依据• 随着新功能基因的分离、克隆以及各种农作物高 效表达技术平台的逐步建立，在今后15至20年内 ，将会有相当数量的高新生物技术产品不断涌现 并与消费者见面这种“分子农业”的出现及普 及将会对我国现有的农作物种植结构产生显著影 响，对增强我国农产品的竞争能力、极大的提高 农民的收入以及维护农业的可持续发展具有重要 意义同时，也有利于形成新的产业链，培育出 较大的产业集团 参考文献• 杜小春 等. 植物生物反应器表达药用蛋白研究新进展,2008 • 顾国维 等．水污染控制工程.高等教育出版社,2007 • Journal of Anhui Agri Sci.植物生物反应器研究概述.安徽农 业科学出版社, 2009 • 植物生理学通讯 第 40 卷第 2 期,2004 年 4 月 • 陈玉辉 ,赵凌侠 ,崔丽洁 ,等. 转基因植物生产药用蛋白研究 进展 • 安欣欣 ,张峰. 植物生物反应器生产医用口服疫苗的研究进 展 • 中国生物工程杂志 , 2008 • 百度百科 http// • 中国农业科技导报 , 2007, 9 • 王金发.细胞生物学,科学出版社,2007谢谢！。