植物細胞通常相當大(相對於微生物而言)且其細胞壁叫粗糙,培養植物細胞時細胞之形狀及大小差異很大,不像其他微生物,植物細胞懸浮培養時容易發生絮聚現像,絮聚體結構對於二次代謝物之製造會產生不良效果,如影響生物反應器攪拌使細胞分散不能均勻,且絮聚體內之微環境和外界不一致,則使反應器之操作更為困難。
這些絮聚體之直徑可以大到 2 mm,其內包含數千個細胞,絮聚體之形成為細胞分裂時無分散開之細胞,或其他未知原因之細胞聚絮,但其共通性為結構組織鬆散,其平均大小及分佈可因培養環境而改變。


大體積及粗糙之細胞壁使植物細胞對剪力的敏感度增加,剪力為流體與流經物體之表面所產生的作用力,流體之速度斷面由生物反應之攪拌葉產生,而細胞處於此種速度斷面下將受剪力傷害,因此以生物反應器培養植物細胞,初期通常將攪拌速度降低以減輕剪力所造成的傷害。
植物細胞之生長率很慢,倍數增加需2-3天或更久,因此其氧氣的需求度相當低,但這也使得植物細胞生物反應器培養需要2-3星期時間,故如何使生物反應器能長時間保持無菌狀態是其重點所在,若反應器受微生物感染,微生物將在短時間內生長超過植物細胞,則先前之培養將付之一炬。


由於植物細胞培養時間長,一年內只能培養數個批次,故於應用上都希望將生物反應器之槽體體積擴大,使一次培養之產量提高。然而植物細胞不同於微生物,在細胞濃度低於 5-10 %時,細胞幾乎不生長,以此算之,其擴大之倍數在10 倍左右,不同於微生物可擴大至 100 倍,且擴大生物反應器體積相對的就需要較長時間培養,何況許多植物細胞培養之產物(二次代謝物),在細胞停止生長後才有明顯的累積現像,此即為何培養植物細胞之生物反應器需要設計成長時間操作的原因。


植物細胞生物反應器培養所需之通氣量較微生物培養低,氧氣是否供應可能不是影響生長之重要因素,此特性使生物反應器操作者或設計者,在低通氣流量之環境下得以探討其他影響生長的重要因子,如混合度等。事實上,高通氣量可能造成細胞生長率降低,其可能的原因為反應器內之二氧化碳或其他有益之氣體被排至反應器外所致。


Process Format
大體上可分成三種,即:
  批式培養(Batch culture 培養液由一開始進行培養後即無再從外界添加任何養分(除氣體及 pH 調節液外)。
  饋料-批式培養(Fed-batch culture 培養時每隔一段時間添加養分於培養液內。
  連續式培養 連續不斷之方式更換培養液,新培養液由一入口注入時,舊培養液亦於另一出口排出,務必使反應器內之培養液狀況保持一致。

Bioreactor Design
通氣攪拌式生物反應器
    由於植物細胞體積大,在反應器內易受攪拌葉撞擊而解體損傷,事實上,選擇剪力較小之葉片,即使在相當高轉速下亦可忍受。反應器的設計尚須考慮混合均勻,半徑方向、轉軸方向均要求高度混合度,以下為幾種常見之攪拌葉形式。
各 種 形 式 攪 拌 葉
 
 
通 氣 攪 拌 式 生 物 反 應 器 設 計 簡 圖
氣舉式生物反應器
    不具機械攪拌,細胞所受之剪力較小。但因通氣速率較高,常將重要代謝氣體,如二氧化碳、乙烯等排出於反應器外,影響細胞之正常生長及代謝。氣舉式反應器其混合時間較攪拌式反應器長,因此在高濃度細胞培養時會有不良結果。
外環式(External loop)氣舉式生物反應器,其混合時間比內環式(Internal loop)氣舉式生物反應器短。

 
氣舉式(Airlift )生物反應器設計簡圖,左為內環式(Internal loop),右為外環式(External loop)。