Для успешного культивирования и проведения экспериментальных работ с клетками высших растений в режиме периодического выращивания используются круговые качалки, шейкеры и установки роллерного типа, скорость вращения которых подбирается таким образом, чтобы предотвратить седиментацию клеток и обеспечить достаточную аэрацию.
В Институте физиологии растений РАН успешно эксплуатируется в течение многих лет четырехплатформенная качалка, вмещающая до 600 колб по 0,5 л (скорость вращения 95±3 об/мин, эксцентриситет - 18±2 мм). В этом же институте модифицирован роллерный аппарат Ф. Стюарда с соавторами (1952) для выращивания клеточных суспензий, позволяющий одновременно проводить эксперимент с 96 культуральными сосудами. Сосуды закрепляются перпендикулярно дискам, насаженным на металлическую полуось, наклоненную к горизонту под углом 3°. Это гарантирует равномерное перетекание питательной среды внутри сосудов. Оптимальный рост суспензий наблюдается при скорости вращения дисков 3-4 об/мин.
Для создания технологий промышленного выращивания клеточных суспензий используют биореакторы различного типа:
- вращающиеся вокруг собственной оси под углом к горизонту;
- барботажные или пневматические, где аэрация и перемешивание осуществляются воздушным потоком;
- с барботажем и перемешиванием магнитными или механическими мешалками.
В конструкциях биореакторов необходимо учитывать следующие особенности культуры клеток высших растений (по сравнению с культивированием микроорганизмов):
- во-первых, большую скорость седиментации клеточныхагрегатов;
- во-вторых, значительное возрастание вязкости при больших плотностях биомассы;
- в-третьих, подверженность механическому стрессу из-за наличия хрупких целлюлозно-пектиновых оболочек.
Опасность механического стресса усиливается на стадии растяжения клеток. Кроме того, надо принимать во внимание процессы адгезии и избыточное ценообразование.
Преимущество глубинного выращивания клеток высших растений перед статическим (поверхностным) культивированием на полутвердой питательной среде заключается в следующем:
- обеспечение одинаковых условий для всех клеток популяции;
- увеличение скорости их роста и биосинтетических потенций;
- возможность получения стабильной клеточной популяции.
Именно третье условие является предпосылкой для масштабирования процессов от колб и лабораторных биорсакторов до промышленных.
По сравнению с выращиванием в колбах на качалке при культивировании в биореакторах появляются новые возможности:
- во-первых, воздействовать на культуру клеток в любой момент ее развития в цикле периодического выращивания различными факторами (температура, газовый режим, свет, pH, физиологически активные вещества и др.);
- во-вторых, определять динамику роста и метаболизма клеточной популяции с помощью отбора проб;
- в-третьих, развивать на их основе различные способы проточного выращивания.
Биореактор (Япония) объемом 20000 л при непрерывном культивировании клеток табака в течение 3 месяцев давал выход сухой массы клеток в среднем 5,58 г/л сут, то есть за весь период культивирования было получено 10,2 т сухой массы клеток.