紅豆杉懸浮細(xì)胞反應(yīng)器深層培養(yǎng)的過(guò)程工程研究.pdf

1、紫杉醇為紅豆杉的二萜類次級(jí)代謝物,是一種有效的抗癌藥物,紅豆杉細(xì)胞培養(yǎng)生產(chǎn)紫杉醇被認(rèn)為是獲取紫杉醇最有效的途徑之一。目前,雖然紅豆杉細(xì)胞培養(yǎng)生產(chǎn)紫杉醇研究取得了很大進(jìn)展,但紅豆杉細(xì)胞反應(yīng)器培養(yǎng)的過(guò)程工程研究甚少,已成為限制其產(chǎn)業(yè)化水平進(jìn)一步提高的因素之一。本論文將細(xì)胞培養(yǎng)和過(guò)程工程理論結(jié)合起來(lái),研究生物反應(yīng)器內(nèi)的流體流動(dòng)、傳遞規(guī)律和細(xì)胞生長(zhǎng)及生化反應(yīng),建立細(xì)胞如何適應(yīng)各種環(huán)境變化的數(shù)學(xué)模型,為指導(dǎo)反應(yīng)器設(shè)計(jì)、放大和操作優(yōu)化提供理論依據(jù)。

2、主要研究結(jié)果如下:
　　(1)在基質(zhì)充分條件下,細(xì)胞中基質(zhì)的消耗不能有效地調(diào)整到與細(xì)胞外底物水平相適合,過(guò)量的基質(zhì)通過(guò)形成代謝物和能量用于細(xì)胞生長(zhǎng)、維持、形成產(chǎn)物和能量損益,如膜電位損耗、ATP水解作用、無(wú)效的循環(huán)、形成儲(chǔ)存的化合物或胞外產(chǎn)品、代謝解耦、呼吸鏈的改變等等,因此建立了適用于基質(zhì)充分條件下15L攪拌生物反應(yīng)器中紅豆杉細(xì)胞懸浮培養(yǎng)整合了能量損益的基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué)模型、產(chǎn)物合成動(dòng)力學(xué)模型和系統(tǒng)流變特性變化動(dòng)力學(xué)模型,同時(shí)發(fā)現(xiàn)

3、logistic方程能更好地描述細(xì)胞生長(zhǎng)過(guò)程。
　　內(nèi)部交叉驗(yàn)證和外部驗(yàn)證表明:所建立的細(xì)胞生長(zhǎng)模型、基質(zhì)消耗模型和產(chǎn)物合成模型適用于模擬細(xì)胞培養(yǎng)的實(shí)際過(guò)程,模型可以用于指導(dǎo)反應(yīng)器培養(yǎng);能量損益是影響基質(zhì)充分條件下攪拌反應(yīng)器中紅豆杉細(xì)胞生長(zhǎng)和生化反應(yīng)的重要因素,紅豆杉細(xì)胞反應(yīng)器放大培養(yǎng)應(yīng)盡量維持限制基質(zhì)過(guò)量的條件下進(jìn)行。
　　(2)研究了反應(yīng)器初始培養(yǎng)液和反應(yīng)器培養(yǎng)過(guò)程的流變特性。發(fā)現(xiàn):1)當(dāng)接種量較低時(shí),反應(yīng)器初始培養(yǎng)液呈

4、現(xiàn)牛頓流體特性;當(dāng)接種量大于8％時(shí),反應(yīng)器初始培養(yǎng)液呈現(xiàn)出假塑性流體特性。2)在反應(yīng)器培養(yǎng)過(guò)程中不同時(shí)期紅豆杉細(xì)胞懸浮培養(yǎng)液均為非牛頓流體,細(xì)胞濃度是構(gòu)成培養(yǎng)液表觀粘度的主要因素。3)建立了表觀粘度及其影響因素的定量關(guān)系。結(jié)果表明:可以通過(guò)測(cè)定反應(yīng)器培養(yǎng)液表觀粘度或電導(dǎo)率來(lái)表征細(xì)胞的生長(zhǎng)狀況,并實(shí)現(xiàn)快速對(duì)紅豆杉細(xì)胞生長(zhǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制;單位細(xì)胞濃度培養(yǎng)液表觀粘度主要是受粒徑≥1700mm(10目)的細(xì)胞聚集體影響,其組成比越大,單位濃度細(xì)

5、胞懸浮培養(yǎng)液的表觀粘度越大;粒徑在1700~830mm(10~20目)、380~180mm(40~80目)的細(xì)胞聚集體對(duì)表觀粘度的影響次之,830~380mm(20~40目)的細(xì)胞聚集體對(duì)表觀粘度的影響為零。
　　(3)建立了反應(yīng)器培養(yǎng)流變動(dòng)力學(xué)模型,提出能量損益是影響基質(zhì)充分條件下攪拌反應(yīng)器中流變特性的重要因素。
　　(4)提出了實(shí)際培養(yǎng)過(guò)程氧傳質(zhì)系數(shù)的測(cè)定方法,研究了細(xì)胞生物量X、表觀粘度h以及攪拌器型式、攪拌轉(zhuǎn)速和通氣

6、量變化對(duì)氧傳質(zhì)系數(shù)kLa的影響。結(jié)果表明:可以通過(guò)在線測(cè)定kLa來(lái)表征細(xì)胞生物量和表觀粘度,對(duì)培養(yǎng)過(guò)程實(shí)施在線控制;本實(shí)驗(yàn)條件下通氣量對(duì)kLa值的影響大于攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)kLa的影響。因此,細(xì)胞培養(yǎng)的操作優(yōu)化應(yīng)優(yōu)先考慮改變通氣量。提高通氣量,適當(dāng)降低攪拌轉(zhuǎn)速,既有利于增加反應(yīng)器的供氧能力,又有利于減小攪拌對(duì)細(xì)胞造成的剪切傷害。
　　(5)研究了能量損益系數(shù)、能量損益速率隨細(xì)胞生物量變化的規(guī)律:能量損益消耗的碳源和能量在細(xì)胞指數(shù)生長(zhǎng)初期較

7、大;與能量損益相關(guān)的產(chǎn)物合成速率在細(xì)胞濃度和產(chǎn)物濃度之間起著關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用。要提高產(chǎn)物合成的速率,就要使細(xì)胞濃度小于或大于與能量損益相關(guān)的產(chǎn)物合成速率最大值對(duì)應(yīng)的細(xì)胞濃度,如采用二相培養(yǎng)、培養(yǎng)分離耦合、二階段培養(yǎng)、補(bǔ)料培養(yǎng)。
　　(6)研究了能量損益系數(shù)、能量損益速率隨細(xì)胞生物量變化的規(guī)律,提出了限制性分次加入碳源培養(yǎng)策略,與用含蔗糖30g·l-1的培養(yǎng)基進(jìn)行的曼地亞紅豆杉細(xì)胞培養(yǎng)相比,限制性分次加入碳源培養(yǎng)所得細(xì)胞生物量和紫杉醇