CN102321537B - 一种植物组织培养用鼓泡式生物反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种植物组织培养用鼓泡式生物反应器，包括由上下连接的球冠体结构和圆锥体结构构成的生物反应器主体；生物反应器主体侧壁设置有上视镜和下视镜，球冠体结构顶部连接有内表面安装灯镜的顶盖，顶盖上设置有接种口、补料口、排气冷却器接口和电极接口；圆锥体结构外部安装有控温夹套，圆锥体结构底部设置有连接空气进口的环形气体分布器，圆锥体结构底端连接有出料取样阀；生物反应器主体依次通过空气过滤器、空气滤罐与空气压缩机连接。本发明主体结构为近球形结构，在组培过程中克服了现有生物反应器容易产生气泡的缺点，从而避免了植物细胞受到气泡中的挥发性物质二氧化碳之类气体的影响，对植物细胞、组织和器官的剪切力较小。
Description
技术领域
本发明涉及一种通过组织培养技术进行植物再生的微生物学装置，具体的说，是涉及一种植物细胞、组织和器官的培养用鼓泡式生物反应器。
背景技术
我国是世界上药用植物资源最丰富的国家之一，随着植物药的大量使用，药用植物的采挖和使用远远超过了植物的生长速度，药用植物资源日趋枯竭。传统的药用植物大田栽培一方面受“天时地利”的影响，产量质量波动大，另一方面农药残留污染问题严重。植物细胞、组织和器官的生物反应器培养具有生长迅速，易于控制的特点，因而可以逐渐取代大田栽培满足市场的需要。
生物反应器是用于大规模培养微生物、植物和动物细胞的反应器，目前培养植物细胞、组织和器官的生物反应器已经到了工业化大生产的阶段。例如，用气升式生物反应器培养长春花细胞生产蛇根碱[A.H.Scragg et al.，Enzyme Microb Technol，1987，9：619]；韩国S.H.Son等人对红豆杉细胞进行反应器大规模培养，采用从100L到500L的气升式反应器[S.H.Son et al.，Plant Cell Reports(2000)19：628-633]；几年后，Kee-Yoeup Paek采用球形鼓泡式反应器对人参不定根进行大规模培养获得具有很强药理活性的人参皂苷[Kee-YoeupPaek et al.，Adv Biochem Engin/Biotechnol(2009)113：151-176]，获得了较高生长量的人参不定根等。
目前用于药用植物细胞、组织和器官悬浮培养的反应器主要有搅拌式、气升式、鼓泡式等。从上个世纪80年代开始，植物细胞、组织和器官的培养用反应器就已经由搅拌式向气升式和鼓泡式过渡。由于植物细胞具有体积较大，细胞壁较脆以及具有大的液泡等特点，植物细胞对剪切力很敏感，其敏感性由细胞的种类、状态、切变力耐受性、剪切速率及反应器本身的结构等多种因素决定。针对这一特点，解决的途径通常是从细胞系本身出发，筛选抗剪切力的高产系或通过细胞工程和基因工程手段对现有细胞系进行改造，建立抗剪切力的株系；在此基础上改造反应器结构，使其具有缓和的流场及良好的混合性能。
搅拌式生物反应器操作范围大，供氧能力强，混合效果好，但搅拌过程中产生的剪切力较大，容易对植物离体组织造成损伤，且能耗较大。相对而言，气升式反应器和鼓泡式反应器剪切力较小，目前国内外普遍认为鼓泡式反应器是一类适用面广的生物反应器，这类反应器的结构特点是气泡沿液相上升，在与液相接触进行反应的同时搅动液体以提高传质速率。传统的鼓泡式反应器返混严重，气泡易产生聚并，并且泡沫会夹带一些CO2挥发性物质，对植物细胞的生长产生不良影响，且效率较低，尽管可通过加入消泡剂削弱这种影响，但是加入消泡剂会对植物细胞、组织和器官的生长以及次生代谢产物的积累产生不良影响。
发明内容
本发明要解决的是现有鼓泡式生物反应器的圆柱形结构剪切力较大和产生气泡较多的技术问题，提供一种近球形的鼓泡式生物反应器。
为了解决上述技术问题，本发明的装置通过以下的技术方案予以实现：
一种植物组织培养用鼓泡式生物反应器，包括生物反应器主体，所述生物反应器主体包括通过法兰上下连接的球冠体结构和圆锥体结构；
所述球冠体结构侧壁设置有上视镜，所述球冠体结构顶部连接有顶盖，所述顶盖内表面安装有灯镜，所述顶盖上设置有接种口、补料口、排气冷却器接口、消泡电极接口、温度电极接口、pH电极接接口和溶氧电极接口；
所述圆锥体结构侧壁设置有下视镜，所述圆锥体结构外部安装有连接于蒸汽发生器的控温夹套，所述圆锥体结构底部内设置有环形气体分布器，所述环形气体分布器连接有设置于所述圆锥体结构外部的空气进口，所述圆锥体结构底端连接有出料取样阀；
所述空气进口通过转子流量计连接有空气滤罐，所述空气滤罐与空气压缩机连接。
所述圆锥体结构的锥体角度在40°～150°范围内。
所述圆锥体结构的锥体角度在60°～100°范围内。
所述生物反应器主体的高径比为0.38～2.8，所述高径比为所述顶盖到所述圆锥体结构底部的高度与所述生物反应器主体最大直径之间的比值。
所述圆锥体结构与所述控温夹套之间安装有螺旋形散热板。
所述空气滤罐上设置有第一压力表。
所述空气进口与所述转子流量计之间设置有第二压力表。
本发明的有益效果是：
(一)本发明的生物反应器主体结构为近球形结构，在培养植物细胞、组织和器官的过程中，反应器上部的空间直径较大，克服了圆柱形气升式生物反应器和鼓泡式生物反应器容易产生气泡的缺点，从而避免了植物细胞受到气泡中的挥发性物质二氧化碳之类气体的影响。
(二)本发明中位于反应器主体结构和夹套之间的螺旋形散热板，呈螺旋状结构均匀地分布于反应器主体外周，有利于热的传导，具有良好的散热作用，保证反应器内部培养基的温度，为植物细胞的培养提供一个更稳定的环境。
(三)反应器侧壁上安装有上视镜和下视镜，便于时刻观察药用植物细胞和器官的生长状况。
(四)本发明结构简单，操作方便，流体力学参数控制简捷精准，便于放大，从而可以降低生产成本、缩短生长周期、实现标准化，而且可不受时间和区域的局限进行周年生产。
附图说明
图1是本发明生物反应器主体的主视图；
图2是本发明生物反应器主体的俯视图；
图3是本发明生物反应器的结构示意图。
图中：1：控温夹套，2：圆锥体结构，3：圆锥体结构上法兰，4：球冠体结构下法兰，5：球冠体结构，6：球冠体结构上法兰，7：顶盖，8：上视镜，9：螺旋形散热板，10：下视镜，11：圆锥体结构下法兰，12：环形气体分布器，13：出料取样阀，14：接种口，15：消泡电极接口，16：排气冷却器接口，17：温度电极接口，18：灯镜，19：pH电极接接口，20：溶氧电极接口，21：补料口，22：空气压缩机，23：空气滤罐，24：第一压力表，25：转子流量计，26：第二压力表，27：空气进口。
具体实施方式
如图3所示，本实施例披露了一种植物组织培养用鼓泡式生物反应器，主要包括由不锈钢材料制成的生物反应器主体，生物反应器主体的空气进口27与外部的空气压缩机22相连接，在空气压缩机22到生物反应器主体的连接管路上依次安装有空气滤罐23和用于控制通气量的转子流量计25。空气滤罐23上设置有第一压力表24，第一压力表24用于监测空气滤罐23中的压力。在空气进口27与转子流量计25之间的连接管路上设置有第二压力表26，用于监测反应器主体中的压力。
如图1所示，生物反应器主体主要由球冠体结构5和圆锥体结构2组成，其中圆锥体结构2的锥体角度在40°～150°范围内。生物反应器主体的高径比为0.38～2.8，即高度与直径的比值，这里的高度是指顶盖7到圆锥体结构2底部的高度，直径是指生物反应器主体的最大直径。
球冠体结构4顶部设置有球冠体结构上法兰6，底部设置有球冠体结构下法兰4；圆锥体结构2顶部设置有圆锥体结构上法兰3，底部设置有圆锥体结构下法兰11。球冠体结构下法兰4与圆锥体结构上法兰3通过螺栓连接，并在其间设置环形橡胶圈进行密封，从而将球冠体结构5和圆锥体结构2紧密连接成为一体。
球冠体结构5以球冠体结构上法兰6与顶盖7通过螺栓连接，并在球冠体结构上法兰6与顶盖7之间设置环形橡胶圈进行密封。结合图2所示，顶盖7上设置有接种口14、用于通过控制阀与补液瓶相通的补料口21、用于安装排气冷却器的排气冷却器接口16、用于安装消泡电极的消泡电极接口15、用于安装温度电极的温度电极接口17、用于安装pH电极的pH电极接接口19，以及用于安装溶氧电极的溶氧电极接口20。上述各接口内在不安装相应元器件的时候安装塞子进行封堵，安装相应元器件时将塞子取下。顶盖7的内表面固定安装有灯镜18，使用24V低压电，其作用是作为观察反应器主体内部的培养液状态及植物细胞生长状态的光源。
圆锥体结构2底端以圆锥体结构下法兰11与出料取样阀13通过螺栓相连接，并在圆锥体结构下法兰11和出料取样阀13之间设置环形橡胶圈进行密封。
圆锥体结构2底部内设置有环形气体分布器12，环形气体分布器12连接有设置于圆锥体结构2外部的空气进口27。空气压缩机22内的空气先经过空气滤罐23的过滤，再在环形气体分布器12内进行均匀分布后进入生物反应器主体。
圆锥体结构2的外部焊接有圆锥体形状的控温夹套1，控温夹套1与蒸汽发生器连接，主要用于在灭菌步骤时保证反应器主体内的温度达到并持续在要求的温度。在灭菌过程中，由蒸汽发生器产生的蒸汽通过控温夹套1的底部进口进入其内部，再由其上部的开孔排出，这样边进边排，向反应器主体内部传递热量。
圆锥体结构2与控温夹套1之间安装有螺旋形散热板9，螺旋形散热板9呈螺旋状结构均匀地分布于反应器主体外周，有利于热的传导，具有良好的散热作用，保证反应器内部培养基的温度，为植物细胞的培养提供一个更稳定的环境。
生物反应器主体侧壁上分别设置有上视镜8和下视镜10，其中上视镜8嵌装在球冠体结构4表面，下视镜10嵌装在圆锥体结构2表面。上视镜8和下视镜10均为平面镜，两者结合使用，便于时刻观察药用植物细胞和器官的生长状况。
下面以西洋参细胞的培养为例简述10L的本发明植物组织培养用鼓泡式生物反应器的具体操作过程：
1.接上蒸汽发生器、反应器控制箱、空气压缩机22电源插头(确保插座已接地)以及各设备进水水管。
2.先打开反应器控制箱电源开关，反应器控制箱连接安装在生物反应器主体上的各种电极。
3.打开蒸汽发生器、空气压缩机22电源开关使之进入工作等待状态。
4.首先应对生物反应器主体进行气密性试验。
5.进行pH电极和溶氧电极的零点标定。
6.反应器中加入6L培养液，培养液pH6.0，进行蒸汽灭菌。
7.结束灭菌后，当生物反应器主体内温度降到70°～80°时，进行温度的自控，具体操作如下：在反应器控制箱灭菌消毒界面，点击设置键，再点击温度键将画面切换到温度控制回路界面；由手动切换到自动，进行温度的自控；根据植物组织的培养所需的温度，设置所需温度25°后，开始温度的自控。
8.当培养液温度自控达到设定的培养温度时，就可准备接种；同时需进行溶氧电极的100％点的标定。
通过顶盖7上的接种口14接种西洋参细胞，接种量2.5％，调节通气量0.4vvm。每隔三天取样，测定细胞干重、皂苷含量、多糖含量以及碳源、氮源和磷源的消耗情况；每次取样重复处理3瓶，培养周期30天。
尽管上面结合附图和优选实施例对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种植物组织培养用鼓泡式生物反应器，包括生物反应器主体，其特征在于，所述生物反应器主体包括通过法兰上下连接的球冠体结构和圆锥体结构；
所述球冠体结构侧壁设置有上视镜，所述球冠体结构顶部连接有顶盖，所述顶盖内表面安装有灯镜，所述顶盖上设置有接种口、补料口、排气冷却器接口、消泡电极接口、温度电极接口、pH电极接接口和溶氧电极接口；
所述圆锥体结构侧壁设置有下视镜，所述圆锥体结构外部安装有连接于蒸汽发生器的控温夹套，所述圆锥体结构底部内设置有环形气体分布器，所述环形气体分布器连接有设置于所述圆锥体结构外部的空气进口，所述圆锥体结构底端连接有出料取样阀；
所述空气进口通过转子流量计连接有空气滤罐，所述空气滤罐与空气压缩机连接；
所述生物反应器主体的高径比为0.38～2.8，所述高径比为所述顶盖到所述圆锥体结构底部的高度与所述生物反应器主体最大直径之间的比值；
所述圆锥体结构与所述控温夹套之间安装有螺旋形散热板；
所述空气滤罐上设置有第一压力表，所述空气进口与所述转子流量计之间设置有第二压力表。
2.根据权利要求1所述的一种植物组织培养用鼓泡式生物反应器，其特征在于，所述圆锥体结构的锥体角度在40°～150°范围内。
3.根据权利要求2所述的一种植物组织培养用鼓泡式生物反应器，其特征在于，所述圆锥体结构的锥体角度在60°～100°范围内。
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