植物细胞培养反应器是一种在可控的无菌环境中，大规模培养植物细胞以生产高价值次级代谢产物的生物技术装备。其目标是通过模拟植物体内的微环境，促使离体培养的植物细胞增殖并合成特定的目标物质，如色素、香料、抗癌药物（紫杉醇）、人参皂苷等，从而摆脱对天然植物资源的依赖，实现可持续生产。
一、设备组成
一套标准的植物细胞培养反应器系统主要包括：
1.反应器主体：通常为玻璃或不锈钢罐体，具备良好的透光性（如需光培养）或遮光性。
2.温和搅拌系统：核心单元，包括低速电机、搅拌轴及大型桨叶（如帆式桨、螺旋带式桨），旨在实现混合的同时最小化流体剪切力。
3.通气系统：包括无菌空气过滤器、空气分布器（通常为环形管），以低剪切方式提供氧气并移除CO₂。
4.环境控制系统：集成温控夹套/盘管、pH和溶氧（DO）电极及调控单元，精确维持生理所需环境。
5.光照系统（针对光自养或光调控培养）：在反应器内部或外部设置可调控光强和光质的光源。
6.进样与取样系统：允许无菌添加前体物或补充培养基，并安全取样监测。
7. CIP原位清洗系统：确保批次间培养环境的无菌状态。
二、工作原理
其核心是在受控环境中诱导植物细胞团（愈伤组织）的生长与次生代谢。经过灭菌的培养基接种植物细胞后，在反应器内进行培养。温和的搅拌确保细胞团不会沉降，同时使营养物质和溶解氧均匀分布，并避免过高的剪切力损伤脆弱的植物细胞。环境控制系统严格维持最佳的温度、pH和溶氧水平。对于某些培养，特定波长和强度的光照被用作诱导产物合成的关键信号。通过优化这些参数，可以引导细胞从生长阶段转向高效合成目标次级代谢产物的生产阶段。
三、设计方法
设计围绕低剪切、高混合与环境精确调控的核心原则。搅拌系统的设计至关重要，需在提供足够混合与传质和避免细胞机械损伤之间取得平衡；选用对细胞无毒性的材料；通气系统采用大气泡、低气流速率以避免细胞“挂壁”和剪切损伤；对于大规模培养，常采用气升式反应器替代机械搅拌，利用气体循环实现更温和的混合；控制系统需具备精细调控慢速生长过程的能力。
四、操作流程
1.准备与灭菌：对反应器及培养基进行高压蒸汽灭菌。
2.接种：在无菌条件下，将处于对数生长期的植物细胞悬浮液转入反应器。
3.培养过程控制：启动温和搅拌与通气，精确控制温度、pH、DO等参数，并根据需要调节光照。
4.补料与诱导：在培养过程中补充新鲜培养基或添加特定的化学/物理诱导子（如茉莉酸甲酯），以刺激产物合成。
5. 收获与提取：培养结束后，收获细胞团或培养液，从中提取目标产物。
6. 清洗：执行CIP程序，彻底清洁反应器。
五、维护保养
1.批次性维护：每批次结束后立即执行CIP清洗；检查机械密封和空气过滤器的完整性。
2.定期维护：定期校准pH和DO电极，因其对产物合成至关重要；检查搅拌系统的平稳运行和润滑情况。
3.计划性维护：定期对光照系统（如有）进行光强检测和灯管更换；对罐体密封性和传感器进行系统性校验。
