植物细胞培养生物反应器研究进展
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流化床循环式反应器中流体可在高速下操作，有较长的 停留时间，使反应混合均匀。高速流体降低传质阻力，使扩 散限制达到最小，气泡扰动达到最小。Dubuis 等用此方法进 行 coffee arabica 培养，测定了生长和产物合成的动力学参 数，认为该反应器操作方便，消除剪切力，易于测定放大所需 的参数，适合中试和工业化生产。Morris 等在连续操作下用 此方法培 养 长 春 花 细 胞，在 高 生 物 量 下 维 持 了 高 传 质 的 性能［12］。
类型 Type
体积∥L Volume
适用植物种类 Species of
applicable plants
搅拌式 STR 搅拌式 STR 搅拌式 STR 搅拌式 STR 螺旋搅拌式 STR with spiral impeller 提升搅拌式 STR with celllift impeller
7，15 20 5 000 15 500 20 2. 5
1，10
Ginkgo，lolium N. tabacum E. californica
外环气升式 External loop airlift 导筒气升式 Draught-tube airlift 转鼓式 Rotating drum 胶粒固定反应器 Gel-entrapped cell reactor
作者简介 胡涛（ 1973 － ） ，男，河北石家庄人，农艺师，从事农业技术 研究。
收稿日期 2009-10-16
1. 1 机械搅拌式生物反应器 此类反应器操作简单，能提 供良好的搅拌，容器内培养体系混合程度高，容氧量好，适用 性广，在大规模生产中被广泛采用。其缺点在于搅拌带来的 剪切力容易损伤细胞，尽而影响细胞的生长与代谢，尤其对 次级产物生成影响极大。Tanaka 对比了不同搅拌器的类型， 发现桨形板搅拌器适合植物细胞生长，这是因为较大的搅拌 桨通常能在相对低的旋转速度下提供良好的搅拌，它是通过 降低 搅 拌 速 度 和 改 进 搅 拌 子 构 型 来 实 现 的［5］。 烟 草 （ N. tabacum） 、葡萄（ vitis specie） 、长春花（ C. roseus） 、三角叶薯 蓣（ D. deltoidea） 都 已 在 改 进 的 搅 拌 式 反 应 器 中 进 行 了 培 养［6］，说明其能很好地适应植物细胞生长，有很大的研究应 用潜力。 1. 2 鼓泡式和气升式反应器 此类反应器能提供低剪切力 环境且构造简单，非常适合植物细胞培养。鼓泡式反应器结 构最为简单，气体从底部通过喷嘴或孔盘穿过液池实现气体 交换和物质传递，整个系统密闭，易于无菌操作，培养过程中 无需机械能损耗，适合培养对剪切力敏感的植物细胞。对于 黏度大及高密度的培养体系，此类反应器的混合效率较低。 气升式反应器通过上升液体和下降液体的静压差实现气体 的循环，比鼓泡式反应器有更均衡的流动形式。气升式反应 器搅拌速度和混合程度由下列因素决定： ①通气速率，如通 入反应器的气体体积。②容器的高度与直径比。在低气速， 尤其 H / D 大的高密度培养时，混合性能欠佳。③升降速度 比。④培养液的黏度和流变性［7］。目前紫草（ L. erythorhizon） 、三角叶薯蓣（ D. deltoidea） 、长春花（ C. roseus） 等细胞已 用气升式反应器进行了培养。此类反应器在工业化生产方 面应用较广。 1. 3 转鼓式反应器 一种新型生物反应器，已用于烟草（ N. tabacum） 、长春花（ C. roseus） 、紫草（ L. ergthorhizon） 的培养［8］。 其转子的转动促进了液体中溶解的气体与营养物质的混合， 所以 RDR 具有悬浮系统均一、低剪切环境、防止细胞黏附的 优点，尤其适合于高密度植物悬浮细胞培养。 1. 4 光生物反应器 植物具有独特的光合作用功能，其体 细胞的多种酶只有在光的刺激下才能表现出较高的生理活 性。在许多植物细胞的培养过程中需要光照，因此在普通反 应器的基础上增加光照系统是需要考虑的问题，这些问题包
填充床反应器（ Packed Bed） 比气升式反应器与流化床 反应器更容易实现高密度培养，该反应器在受压力时易导致 颗粒脆裂，进而产生缝隙。
1. 5. 2 膜反应器。中空纤维膜是另一种可供细胞固定化的 载体，细胞并不黏附于膜上，可更好地控制压降和流体压力， 不受操作规模的限制。Jose 等进一步用该反应培养胡萝卜 （ D. carota） 和碧东茄（ P. hybrida） 生产代谢产物酚类物质［13］。 1. 6 旋转式细胞培养系统（ The rotary cell culture system， Rccs） 该培养系统是目前世界上培养贴壁和悬浮细胞的最 新装置。Rccs 是水平旋转的、无气泡的膜扩散式气体交换培 养系统。Rccs 中的细胞通过膜式气体交换器来吸氧和排出 CO2 ，任何气泡都被清除，以防其旋涡对细胞生长产生影响。 培养液、细胞与细胞团在容器内旋转，它们不与任何容器壁 或任何其他易致伤的物体相碰。该系统中无推进器、空气升 液器、气泡或搅拌器，几乎无破坏性剪切力，使大细胞团得以 存在。悬浮细胞在水平的旋转式细胞培养器内产生一个均 匀的、低剪切力的液体悬浮轨道。随细胞的长大，可调节旋 转的速度来抵偿沉降速度。该装置已成功培养近 100 种不 同类型的细胞，其中包括一些植物细胞。 2 植物细胞培养反应器的比较与选择
Байду номын сангаас
38 卷 4 期
胡 涛等 植物细胞培养生物反应器研究进展
1703
括光源的安装、保护，光的传递，光照系统对反应器供气、混 合的影响等。
小规模实验往往采用外部光照，但大规模生产时透光窗 的设置，内部培养物对光的均匀接受是较难解决的问题。目 前人们研究出的光合生物反应形式较多，其中以用于大规模 培养光合细胞的新型内部光照搅拌式光生物反应器最具代 表性。 1. 5 细胞固定化培养生物反应器 植物细胞固定化是将细 胞固定于适宜的载体上，如多糖或多聚糖化合物，在不同类 型的反应器中进行培养。它有利于细胞之间的接触、信息传 递及分化，因而有利于次生代谢产物的产生，还可以帮助细 胞生长和产物形成过程相耦合。当目的产物为外泌型时，固 定化使产物与细胞易于分离，此类反应器能简化下游提纯工 作，非常适合脆弱细胞的培养［9 －11］。 1. 5. 1 胶粒固定反应器。此类反应器多以海藻酸钙为载 体，采用包埋法固定细胞，在流化床循环式反应器或填充床 反应器中进行细胞的固定化培养。
形式 Type 搅拌式 改进搅拌器（ 低速） 鼓泡式 气升式 转鼓式
表 2 不同反应器性能比较 Table 2 The performance comparison of different reactors
氧传输 Oxygen transfer
高 中等 中等 高 高
液变压力 Hydrodynamic pressure
目前用于植物细胞培养的反应器主要有搅拌式（ STR） 、 气升式（ air-lift） 、鼓泡式（ bubble calum） 、转鼓式（ RDR） 及其 他改进型反应器，此外还有植物细胞固定化反应器和膜反应 器等。表 1 列出了用于不同植物细胞培养的各种反应器类型［4］。
表 1 植物细胞培养生物反应器类型 Table 1 The types of the bioreactor for plant cell culture
摘要 介绍了当前植物细胞培养生物反应器的新类型及各自特点，工业化成功的实例及今后的发展趋势，并对植物细胞培养反应器的 选择和设计提出了相应的建议。 关键词 植物细胞； 培养； 生物反应器 中图分类号 Q 943. 1 文献标识码 A 文章编号 0517 － 6611（ 2010） 04 － 01702 － 02
利用植物细胞培养技术生产天然植物源功能性成分较 之栽培法具有很多的优点，但目前由摇瓶实验转化到大规模 工厂化生产的实例却较少。除植物细胞生长缓慢、代谢产物 分泌量低及细胞体系遗传性状不稳定等植物细胞自身的原 因以外，针对某种植物细胞设计、选择合适的生物反应器更 是能否成功提取功能性代谢产物的关键。最初采用的植物 细胞培养反应器大多借鉴微生物反应器，但由于植物细胞与 微生物细胞在结构及生理学特性上的差异，研究者结合植物 细胞的特点，研究出了许多新的反应器［1 －3］。 1 植物细胞培养生物反应器类型
在低流体压力下有效的氧传质是选择反应器的一个标 准。此外环境条件的有效控制和 易实现工业化等也很重 要。植物细胞培养用反应器的选型与开发依据可归纳为： ① 供氧能力和气泡在液体中的分散程度； ②反应器内流变液体 的压力强度及其对植物细胞系统的影响； ③高细胞浓度混合 的均匀性； ④控制温度、pH、营养物浓度的能力； ⑤控制细胞 聚集体的能力； ⑥放大的难易程度； ⑦长时间维持无菌状态 的能力［14］。不同反应器具有不同的特点，不同植物细胞的 氧要求、剪切力敏感性、培养液流体性能和细胞聚体大小是 有差别的，要根据植物细胞特性选择其生长及代谢产物适合的 反应器。按以上标准，不同反应器类型有不同的特点见表 2［15］。
10，30，85 20，210 1 ～4 30，200
C. rosells D. lanata V. rosea
膜反应器 Membrane reactor
D. carota； P. hybrida
注： 类型中的重复指适应不同植物类型的反应器。
Note： The repeated types are the bioreactor for different plant types.
D. carata N. tabacum C. roseus N. tabacum C. blumei P. elliottii
鼓泡式 Bubble column 鼓泡式 Bubble column 倾斜鼓泡式 Stanted bottom bubble column
20，30，130 65，1 500
高度破坏性 低 低 低 低
混合 Mixing 均一 基本均一 不均一 均一 均一
放大 Scale up
困难 困难 容易 容易 困难
限制 Limitations 细胞死亡，易导致污染 高密度混合不充分 混合差导致细胞堆积 高密度出现死区 在大规模混合不均匀
一些最新的生物反应器开发实例有： 日本的三井石油公 司开发的两槽培养系统可用于较一般的植物细胞培养场合； Jolicoeur 等开发了工作容量为 11 L 的双螺旋带形搅拌浆反 应器（ dlouble halieal-ribbon impeller biloreabor） 用于长春花细 胞的高密度培养获得成功［16］； Kim 等将双重中空纤维反应器 （ dual hollow fibre reactor） 用于长春花细胞的固定化培养以维 持高浓度和连续运转［17］。 3 植物细胞生物反应器研究方向
Research Progress in Bioreactor for Plant Cell Culture HU Tao et al （ Headquarters of Property，Shenyang Agricultural University，Shenyang，Liaoning 110161） Abstract The new types and characters，successful industrialization examples and the future developmental trend of the current bioreactor for plant cell culture were introduced. And some advices were proposed for selecting and designing bioreactors for plant cell culture. Key words Plant cell； Culture ； Bioreactor
安徽农业科学，Journal of Anhui Agri. Sci. 2010，38（ 4） ： 1702 － 1703，1758
责任编辑 胡剑胜 责任校对 傅真治
植物细胞培养生物反应器研究进展
胡 涛 ，吕春茂 ，王新现 ，王 博 1
2*
2
2
（ 1. 沈阳农业大学校产总公司，辽宁沈阳 110161； 2. 沈阳农业大学食品学院，辽宁沈阳 110161）
类型 Type
体积∥L Volume
适用植物种类 Species of
applicable plants
搅拌式 STR 搅拌式 STR 搅拌式 STR 搅拌式 STR 螺旋搅拌式 STR with spiral impeller 提升搅拌式 STR with celllift impeller
7，15 20 5 000 15 500 20 2. 5
1，10
Ginkgo，lolium N. tabacum E. californica
外环气升式 External loop airlift 导筒气升式 Draught-tube airlift 转鼓式 Rotating drum 胶粒固定反应器 Gel-entrapped cell reactor
作者简介 胡涛（ 1973 － ） ，男，河北石家庄人，农艺师，从事农业技术 研究。
收稿日期 2009-10-16
1. 1 机械搅拌式生物反应器 此类反应器操作简单，能提 供良好的搅拌，容器内培养体系混合程度高，容氧量好，适用 性广，在大规模生产中被广泛采用。其缺点在于搅拌带来的 剪切力容易损伤细胞，尽而影响细胞的生长与代谢，尤其对 次级产物生成影响极大。Tanaka 对比了不同搅拌器的类型， 发现桨形板搅拌器适合植物细胞生长，这是因为较大的搅拌 桨通常能在相对低的旋转速度下提供良好的搅拌，它是通过 降低 搅 拌 速 度 和 改 进 搅 拌 子 构 型 来 实 现 的［5］。 烟 草 （ N. tabacum） 、葡萄（ vitis specie） 、长春花（ C. roseus） 、三角叶薯 蓣（ D. deltoidea） 都 已 在 改 进 的 搅 拌 式 反 应 器 中 进 行 了 培 养［6］，说明其能很好地适应植物细胞生长，有很大的研究应 用潜力。 1. 2 鼓泡式和气升式反应器 此类反应器能提供低剪切力 环境且构造简单，非常适合植物细胞培养。鼓泡式反应器结 构最为简单，气体从底部通过喷嘴或孔盘穿过液池实现气体 交换和物质传递，整个系统密闭，易于无菌操作，培养过程中 无需机械能损耗，适合培养对剪切力敏感的植物细胞。对于 黏度大及高密度的培养体系，此类反应器的混合效率较低。 气升式反应器通过上升液体和下降液体的静压差实现气体 的循环，比鼓泡式反应器有更均衡的流动形式。气升式反应 器搅拌速度和混合程度由下列因素决定： ①通气速率，如通 入反应器的气体体积。②容器的高度与直径比。在低气速， 尤其 H / D 大的高密度培养时，混合性能欠佳。③升降速度 比。④培养液的黏度和流变性［7］。目前紫草（ L. erythorhizon） 、三角叶薯蓣（ D. deltoidea） 、长春花（ C. roseus） 等细胞已 用气升式反应器进行了培养。此类反应器在工业化生产方 面应用较广。 1. 3 转鼓式反应器 一种新型生物反应器，已用于烟草（ N. tabacum） 、长春花（ C. roseus） 、紫草（ L. ergthorhizon） 的培养［8］。 其转子的转动促进了液体中溶解的气体与营养物质的混合， 所以 RDR 具有悬浮系统均一、低剪切环境、防止细胞黏附的 优点，尤其适合于高密度植物悬浮细胞培养。 1. 4 光生物反应器 植物具有独特的光合作用功能，其体 细胞的多种酶只有在光的刺激下才能表现出较高的生理活 性。在许多植物细胞的培养过程中需要光照，因此在普通反 应器的基础上增加光照系统是需要考虑的问题，这些问题包
填充床反应器（ Packed Bed） 比气升式反应器与流化床 反应器更容易实现高密度培养，该反应器在受压力时易导致 颗粒脆裂，进而产生缝隙。
1. 5. 2 膜反应器。中空纤维膜是另一种可供细胞固定化的 载体，细胞并不黏附于膜上，可更好地控制压降和流体压力， 不受操作规模的限制。Jose 等进一步用该反应培养胡萝卜 （ D. carota） 和碧东茄（ P. hybrida） 生产代谢产物酚类物质［13］。 1. 6 旋转式细胞培养系统（ The rotary cell culture system， Rccs） 该培养系统是目前世界上培养贴壁和悬浮细胞的最 新装置。Rccs 是水平旋转的、无气泡的膜扩散式气体交换培 养系统。Rccs 中的细胞通过膜式气体交换器来吸氧和排出 CO2 ，任何气泡都被清除，以防其旋涡对细胞生长产生影响。 培养液、细胞与细胞团在容器内旋转，它们不与任何容器壁 或任何其他易致伤的物体相碰。该系统中无推进器、空气升 液器、气泡或搅拌器，几乎无破坏性剪切力，使大细胞团得以 存在。悬浮细胞在水平的旋转式细胞培养器内产生一个均 匀的、低剪切力的液体悬浮轨道。随细胞的长大，可调节旋 转的速度来抵偿沉降速度。该装置已成功培养近 100 种不 同类型的细胞，其中包括一些植物细胞。 2 植物细胞培养反应器的比较与选择
Байду номын сангаас
38 卷 4 期
胡 涛等 植物细胞培养生物反应器研究进展
1703
括光源的安装、保护，光的传递，光照系统对反应器供气、混 合的影响等。
小规模实验往往采用外部光照，但大规模生产时透光窗 的设置，内部培养物对光的均匀接受是较难解决的问题。目 前人们研究出的光合生物反应形式较多，其中以用于大规模 培养光合细胞的新型内部光照搅拌式光生物反应器最具代 表性。 1. 5 细胞固定化培养生物反应器 植物细胞固定化是将细 胞固定于适宜的载体上，如多糖或多聚糖化合物，在不同类 型的反应器中进行培养。它有利于细胞之间的接触、信息传 递及分化，因而有利于次生代谢产物的产生，还可以帮助细 胞生长和产物形成过程相耦合。当目的产物为外泌型时，固 定化使产物与细胞易于分离，此类反应器能简化下游提纯工 作，非常适合脆弱细胞的培养［9 －11］。 1. 5. 1 胶粒固定反应器。此类反应器多以海藻酸钙为载 体，采用包埋法固定细胞，在流化床循环式反应器或填充床 反应器中进行细胞的固定化培养。
形式 Type 搅拌式 改进搅拌器（ 低速） 鼓泡式 气升式 转鼓式
表 2 不同反应器性能比较 Table 2 The performance comparison of different reactors
氧传输 Oxygen transfer
高 中等 中等 高 高
液变压力 Hydrodynamic pressure
目前用于植物细胞培养的反应器主要有搅拌式（ STR） 、 气升式（ air-lift） 、鼓泡式（ bubble calum） 、转鼓式（ RDR） 及其 他改进型反应器，此外还有植物细胞固定化反应器和膜反应 器等。表 1 列出了用于不同植物细胞培养的各种反应器类型［4］。
表 1 植物细胞培养生物反应器类型 Table 1 The types of the bioreactor for plant cell culture
摘要 介绍了当前植物细胞培养生物反应器的新类型及各自特点，工业化成功的实例及今后的发展趋势，并对植物细胞培养反应器的 选择和设计提出了相应的建议。 关键词 植物细胞； 培养； 生物反应器 中图分类号 Q 943. 1 文献标识码 A 文章编号 0517 － 6611（ 2010） 04 － 01702 － 02
利用植物细胞培养技术生产天然植物源功能性成分较 之栽培法具有很多的优点，但目前由摇瓶实验转化到大规模 工厂化生产的实例却较少。除植物细胞生长缓慢、代谢产物 分泌量低及细胞体系遗传性状不稳定等植物细胞自身的原 因以外，针对某种植物细胞设计、选择合适的生物反应器更 是能否成功提取功能性代谢产物的关键。最初采用的植物 细胞培养反应器大多借鉴微生物反应器，但由于植物细胞与 微生物细胞在结构及生理学特性上的差异，研究者结合植物 细胞的特点，研究出了许多新的反应器［1 －3］。 1 植物细胞培养生物反应器类型
在低流体压力下有效的氧传质是选择反应器的一个标 准。此外环境条件的有效控制和 易实现工业化等也很重 要。植物细胞培养用反应器的选型与开发依据可归纳为： ① 供氧能力和气泡在液体中的分散程度； ②反应器内流变液体 的压力强度及其对植物细胞系统的影响； ③高细胞浓度混合 的均匀性； ④控制温度、pH、营养物浓度的能力； ⑤控制细胞 聚集体的能力； ⑥放大的难易程度； ⑦长时间维持无菌状态 的能力［14］。不同反应器具有不同的特点，不同植物细胞的 氧要求、剪切力敏感性、培养液流体性能和细胞聚体大小是 有差别的，要根据植物细胞特性选择其生长及代谢产物适合的 反应器。按以上标准，不同反应器类型有不同的特点见表 2［15］。
10，30，85 20，210 1 ～4 30，200
C. rosells D. lanata V. rosea
膜反应器 Membrane reactor
D. carota； P. hybrida
注： 类型中的重复指适应不同植物类型的反应器。
Note： The repeated types are the bioreactor for different plant types.
D. carata N. tabacum C. roseus N. tabacum C. blumei P. elliottii
鼓泡式 Bubble column 鼓泡式 Bubble column 倾斜鼓泡式 Stanted bottom bubble column
20，30，130 65，1 500
高度破坏性 低 低 低 低
混合 Mixing 均一 基本均一 不均一 均一 均一
放大 Scale up
困难 困难 容易 容易 困难
限制 Limitations 细胞死亡，易导致污染 高密度混合不充分 混合差导致细胞堆积 高密度出现死区 在大规模混合不均匀
一些最新的生物反应器开发实例有： 日本的三井石油公 司开发的两槽培养系统可用于较一般的植物细胞培养场合； Jolicoeur 等开发了工作容量为 11 L 的双螺旋带形搅拌浆反 应器（ dlouble halieal-ribbon impeller biloreabor） 用于长春花细 胞的高密度培养获得成功［16］； Kim 等将双重中空纤维反应器 （ dual hollow fibre reactor） 用于长春花细胞的固定化培养以维 持高浓度和连续运转［17］。 3 植物细胞生物反应器研究方向
Research Progress in Bioreactor for Plant Cell Culture HU Tao et al （ Headquarters of Property，Shenyang Agricultural University，Shenyang，Liaoning 110161） Abstract The new types and characters，successful industrialization examples and the future developmental trend of the current bioreactor for plant cell culture were introduced. And some advices were proposed for selecting and designing bioreactors for plant cell culture. Key words Plant cell； Culture ； Bioreactor
安徽农业科学，Journal of Anhui Agri. Sci. 2010，38（ 4） ： 1702 － 1703，1758
责任编辑 胡剑胜 责任校对 傅真治
植物细胞培养生物反应器研究进展
胡 涛 ，吕春茂 ，王新现 ，王 博 1
2*
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（ 1. 沈阳农业大学校产总公司，辽宁沈阳 110161； 2. 沈阳农业大学食品学院，辽宁沈阳 110161）