加快优良植物材料的繁育和天然药物的开发以及保护利用珍稀植物资源一直是植物细胞培养工作的研究重点。为了大规模地生产天然植物源功能性成分或进行植物材料的规模化繁育，满足市场需求，能够打破地域气候等条件限制的植物细胞培养生物反应器技术就具有十分重要的作用。已有文献报道了许多与传统生物反应器不同的植物细胞培养生物反应器的原理及应用^[1]，它们大多通过调控生物反应器中的物化条件，以实现植物细胞最佳的生长、分化和代谢环境，缩短培养周期，为植物细胞的工业化培养或植株再生创造有利条件^[2]。本文针对植物细胞培养的基本特点，比较分析了应用于植物细胞培养的不同种类生物反应器的功能特点，并提出了植物细胞培养生物反应器研究的发展趋势。

植物细胞培养是在离体条件下，以单细胞或细胞团为单位进行的植物组织培养方式。该技术不受时空、外界自然环境和性状分离等的影响，可以短时间内大规模培养出比较均匀一致的细胞，便于后续的研究与利用。相对于动物细胞，植物细胞大部分能够悬浮生长，适于大规模培养。但植物细胞由于代谢活性较低，次生物质的合成和累积速度较慢，生长速率低，因而与微生物细胞培养相比，难度较大。植物细胞具有厚度不一的含纤维素的细胞壁，拉伸强度较高，因此对剪切力更为敏感，在培养时当转速超过一定数值，细胞生长会明显下降，并且会出现死亡和破碎现象^[3]。植物细胞需要较长的培养过程，而长时间保持无菌状态则给培养带来难度，培养过程中易造成污染且细胞常发生变异。植物细胞在悬浮培养时对氧的需求量较低，但由于植物细胞培养后期密度高、粘度大，氧的传输会受到阻碍，因此与微生物相比，在达到同样浓度时，氧传递速率要小得多^[4]。另外，植物细胞易于粘附成团使搅拌不匀而导致营养物质的传输受到限制^[5]，因而其二次代谢途径更加复杂。

针对植物细胞培养的特点和难点，有研究表明，利用生物反应器技术培养植物细胞需注意以下几方面：(1)营养成分的有效供给。为加快植物细胞的生长速度，培养基中除添加碳源和氮源外，还可加入适当的植物生长调节剂^[6]；(2)保证长时间的无菌状态；(3)创造剪切力较低、足够的氧气和传质、混合性能良好的微环境^[7]；(4)严格控制植物细胞生长、分化和次生代谢物质合成与积累的关系，可利用动力学评估来确定最佳环境及操作模式^[8]；(5)探索物理、化学等因素对植物细胞代谢物的产量及质量的影响^[9]；(6)生物反应器需要较高的硬件配置^[10]等。

从培养微生物细胞的生物反应器发展而来的用于植物细胞培养的生物反应器具有鲜明的特点。1959年Tulecke等^[11]第一次将微生物培养的发酵工艺应用到高等植物细胞的悬浮培养。植物细胞培养生物反应器技术为植物有用代谢产物的合成提供了有效途径。目前用于植物细胞培养的生物反应器种类较多，主要有搅拌式、气升式、鼓泡式及转鼓式生物反应器，此外还有植物细胞固定化培养生物反应器、光生物反应器及一次性培养生物反应器等。

机械搅拌式生物反应器是借搅拌涡轮加以混合以及相际传质。其操作范围较大，混合程度高，传质环境均匀，适应性广，因此在植物细胞培养^[12]、植物组织培养^{[13, 14, 15]}以及利用转基因技术生产重组蛋白等生产实践中得到广泛应用^[16]。搅拌式生物反应器应用于植物细胞培养时存在的主要问题是植物细胞壁对剪切的耐受力差，搅拌过程中较大的剪切力容易损坏细胞，影响其生长及代谢产物的生产^[17]。搅拌器的形式对搅拌式生物反应器的应用影响很大，因为搅拌器搅拌的速度越高，顶部气泡破裂越快，产生的剪切力就越大，对植物细胞的伤害也越大。因此对剪切力敏感的细胞不适用于传统的搅拌式生物反应器^[18]，但是经过对搅拌形式、叶轮结构、曝气系统以及保护剂等方面的改进，可以大大降低其对细胞的剪切作用。有研究对不同类型搅拌器进行了比较，发现桨形板搅拌器适合植物细胞生长^[19]。也有学者采用带有1个双螺旋带叶轮和3个表面挡板的搅拌罐，证明其适用于剪切力敏感的高密度植物细胞培养^[20]。而程龙等^[21](2008)将两个相同的通气搅拌式生物反应器通过0.22 mm微孔膜进行分隔、耦合，组合成一个能使全部物质发生通透而不同细胞间不能互相接触的耦合式生物反应系统，并利用美丽镰刀菌(Fusarium mairei)与东北红豆杉(Taxus cuspidate)悬浮细胞的耦合培养使紫杉醇大量分泌到胞外。由此可见，对搅拌式生物反应器内部结构的改进可以降低剪切力对植物细胞的伤害，提高代谢物质产量，并且可以拓宽搅拌式生物反应器的应用范围。

与传统的搅拌式生物反应器比较，非搅拌式生物反应器结构简单，产生的剪切力更小，适合进行植物细胞培养。非搅拌式生物反应器的主要类型有气升式生物反应器、鼓泡式生物反应器和转鼓式生物反应器等。

气升式生物反应器是通过在罐外装设上升管，使其两端分别连接罐底及罐上部，由此构成一个循环系统。其运行成本和造价低，通过上升液体和下降液体的静压差实现气流循环，以保证良好的传质效果，同时使剪切力的分布更均匀，并且可以促进培养基和细胞在较短混合时间内的周期运动。另外，由于其没有搅拌装置，更容易长期保持无菌状态^{[22, 23]}。但气升式生物反应器也有一定的缺点，即操作弹性小，当低气速在高密度培养时混合效果较差，导致植物细胞生长缓慢。为弥补这一缺点，可以将气升式发酵罐与慢速搅拌相结合，这样也有利于氧的传递^[24]，目前已有搅拌气升式生物反应器应用于西洋参(Panax quinquefolius)、紫草(Lithospermum erythrorhizon)、檀香木(Santalum album)^[25]以及唐松草(Thalictrum rugosum)^[26]等植物细胞的培养。将气升式生物反应器应用于植物细胞培养时，还必须结合细胞的生理特性对其加以改进，这样才能更好地适应植物细胞培养的要求^[27]。如Thanh等^[28](2014)针对人参(Panax ginseng)细胞悬浮培养的特点，对5 L气球型气升式生物反应器的参数、通气量、接种密度等进行了优化，建立了生产人参皂苷的500 L容量的大型滚筒式和气球式生物反应器，它们分别可生产187 kg及400 kg的鲜物质量、6.2 kg及13.3 kg的干物质量以及7.86 mg/g DW及7.75 mg/g DW的总皂苷，适当通风尤其是高氧气传递系数可能是气球型生物反应器在生物量的积累上更优越的原因，这些结果对商业化生产植物细胞有用代谢产物有很大的帮助。

鼓泡式生物反应器结构简单，整个系统密闭，气体从底部通过孔盘或喷嘴穿过液池来实现气体交换和物质传递，易于长时间无菌操作。该生物反应器在植物组织培养中应用较为普遍，其内部不含转动部分，培养过程中无需机械能损耗，因此也适合培养对剪切力敏感的植物细胞如人参细胞等^[29]。陈书安等^[30](2011)通过比较藏红花(Crocus sativus)细胞在3种生物反应器中的培养结果，发现鼓泡式生物反应器更适于藏红花素的生产。但鼓泡式生物反应器的缺点是氧气传输能力差，而在高通气量条件下又会产生大量泡沫，另外对于高密度及高粘度的培养体系，流体混合性也较差^[31]。因此，可以通过在鼓泡塔内不同区段安装多个排气管将氧气输送到塔中高细胞密度区域以提高鼓泡式生物反应器的性能^[32]。

转鼓式生物反应器与其它类型的生物反应器相比具有适中的表面积-体积比，可以在更低的能耗与剪切力环境下提供足够的氧气，同时其悬浮系统均一，可避免细胞粘壁，因此适于高密度植物悬浮细胞的培养，且已用于蔓长春花(Vinca rosea)^[33]、紫草(L. erythrorhizon)^[34]、烟草(Nicotiana tabacum)等的培养。Shibasaki等^[35](1992)利用转鼓式生物反应器对烟草细胞进行悬浮培养，发现相同曝气条件下与仅有一个导流管的气升式生物反应器相比，转鼓式生物反应器中烟草细胞的生长率更高，并且其氧气的传递效率及剪切力对细胞的伤害水平均优于气升式生物反应器。但这种生物反应器的不足是在大规模操作中会消耗相对较高的能量，并且难以按比例扩大培养。

植物细胞的固定化是将细胞固定在多糖或多聚化合物等载体上，以便在不同类型的反应器中进行培养。一般脆弱细胞采用这种方式，因为固定化培养可以降低剪切力对细胞的损伤，产生较多固液特定界面的接触，并且有利于次级代谢产物的积累，适合进行连续培养或生物转化等。尽管包裹在载体基质内的固定化细胞的微环境与在流体中不同，但是通过选择适当的细胞固定化载体，仍可以达到高细胞密度，实现高产量^[36]。目前已有应用于辣椒(Capsicum annuum)^[37]、毛地黄(Digitalis lanata)^[38]、雷公藤(Tripterygium wilfordii)^[39]、咖啡(Coffea arabica)^[40]以及胡萝卜(Daucus carota)^[41]等植物细胞固定化培养的报道。植物细胞的固定化培养生物反应器主要有流化床生物反应器及填充床生物反应器等。

流化床生物反应器是一种循环式反应器，流体可在高速下运转，停留时间较长，使反应混合均匀，但包裹于胶粒、金属或泡沫中的细胞颗粒之间的碰撞容易造成细胞的损伤。有学者将长春花(Catharanthus roseus)细胞包裹在海藻酸钙凝胶球中，并利用流化床生物反应器对其进行培养以连续生产植物细胞悬浮液^[42]。Bramble等^[43](1990)研制了一种磁稳定型流化床生物反应器，传质良好，能减少颗粒碰撞，在批处理模式下培养固定于海藻酸钙内的植物细胞结果表明，细胞的生长状况与在摇瓶培养中相当。而填充床生物反应器比流化床生物反应器或者气升式生物反应器更容易实现高密度培养，这种反应器是将细胞固定于支持物表面或者内部，支持物颗粒堆叠成床，培养基则在床间流动。但其混合效果不好，传质传热较差，并且受压时容易导致颗粒脆裂，产生缝隙^{[44, 45]}。

光生物反应器是培养植物细胞、光合细菌等特有的反应器。在普通反应器的基础上增加光照系统，可以满足植物的光合作用，使植物细胞内的多种酶类产物在光照的诱导下表现出较高的生理活性。但实际上要考虑的问题还包括光的传递，光源的安装、保护，光照系统对反应器供气、混合的影响等。Fischer等^[46](1995)利用气升式生物反应器研究了光照条件对红叶藜(Chenopodium rubrum) 生物量积累的影响，为光生物反应器的研究提供了一定的参考。Ogbonna等^[47](1995)提出容积光分布系数(Kiv)的概念，可用于定量评价光生物反应器内部光的条件。目前人们研究出的光生物反应器有多种形式，其中以用于大规模培养植物光合细胞的内部光照式生物反应器最具代表性^{[48, 49]}。张俊杰等^[50](2012)使用自制的大规模封闭式管道光生物反应器，探讨适宜于小球藻(Chlorella)高产的工厂化培养方式。这些学者对采用内部光源的生物反应器的研究解决了内部培养物对光的均匀接受等问题，适应了特定植物细胞的生长。

在过去十年中，一次性使用的生物反应器被越来越多的中小规模生物技术工艺所接受。与传统的具有由玻璃或不锈钢制成的培养容器的生物反应器相比，一次性生物反应器的培养容器通常是由美国食品药品监督管理局(FDA)批准的生物相容性塑料(例如聚乙烯，聚苯乙烯，聚四氟乙烯，聚丙烯)制成，一般是一个硬质容器或者是由一个支撑容器固定、塑形的柔性多层袋。其设施及配置简单，且容器经过预无菌处理，省去了清洗和消毒环节，并可在收集产品后丢弃，减少了交叉污染，灵活性高的同时还可以节省时间和成本^{[51, 52]}。但是当前使用一次性生物反应器还存在一定的限制条件，包括塑料材料在扩展性方面强度不足以及一次性传感器和外围元件(如阀门和采样系统等)的可用性等^[53]。

现在已有许多不同类型的一次性生物反应器应用于植物细胞培养，包括机械驱动式一次性生物反应器，液压驱动式一次性生物反应器及气压驱动式一次性生物反应器等^[54]。Werner等^[55](2013)通过比较烟草(N. tabacum)BY-2细胞及葡萄(Vitis vinifera)悬浮细胞在500 ml摇瓶、波动混合式一次性袋及轨道摇动式一次性袋中的培养情况(包括细胞体积、鲜重、代谢物浓度等)，发现轨道摇动式一次性袋非常适合台式规模的植物细胞悬浮培养。一些研究也表明一次性生物反应器适合培养转基因植物细胞以生产治疗性外源蛋白及化妆品业的原材料^[36]。Kwon等^[56](2013)就利用两种一次性生物反应器进行转基因水稻细胞培养生产重组人细胞毒T细胞抗原4免疫球蛋白(hCTLA4Ig)，与搅拌式生物反应器比较，利用两种一次性生物反应器均可达到相似的最大细胞密度(11.9和12.6μgDCW/L)、倍增时间(4.8和5.0 d)及最大hCTLA4Ig浓度(43.7和43.3mg/L)。但是由于一次性生物反应器现存的不足，利用这种培养系统进行按比例放大培养仍有一定困难。

目前，使用一次性生物反应器进行植物细胞培养还远未达到进行哺乳动物细胞培养的重要性水平，这是因为利用植物细胞制造高价值产品仍相对少见。但这却是植物细胞生物反应器的发展趋势，也许未来基于植物体外细胞培养特点的适用于传统生物反应器的方法也会重新设计为适用于一次性生物反应器。

植物细胞培养生物反应器技术在过去的几十年中发展迅速，但用于工业化和商业化生产，以下几方面尚待进一步研究：(1)加强对培养过程中植物细胞生理特性的研究，在实用性的基础上进行生物反应器的研制，这将有可能在植物细胞培养工作中取得根本性的突破。如在优化培养基成分的基础上，优化生物反应器的结构，综合考虑供氧条件和剪切条件以及光照、温度、pH的影响^{[57, 58]}，建立完整的在线检测系统，将生物学和工程技术相结合，使植物细胞培养朝着有利的方向发展。(2)对植物细胞培养生物反应器连续培养方式高效的过程控制，使人为调控大规模培养过程中细胞的生长速率及次级代谢产物的产生速率成为可能。因此，需要及时进行放大实验，确定所用植物细胞的最佳培养方式，为大规模商业化生产提供更坚实的基础。(3)植物细胞培养是植物细胞工程研究的重要领域。如高等植物的遗传工程就需要利用植物细胞体外培养技术，使遗传转化的细胞再分化成有利用价值的再生植株。因此植物细胞培养需结合现代分子生物学技术，从基因水平和代谢水平深入探索生物反应器对植物细胞培养的作用机理。(4)随着对植物细胞培养技术的深入探索，生物反应器技术将成为未来研究药用植物的重要课题之一^[59]，也是探索天然药物工业化生产的重要途径。其中，选育药用植物稳定高产的优良细胞系是提高药用植物细胞生物反应器技术可行性的前提。在重视药用植物资源保护及有效利用的今天，利用植物细胞生物反应器培养技术来大规模地直接生产药用有效成分具有重要的现实意义。