CN102408991B - 一种用于规模化培养药用植物的生物反应器系统 - Google Patents
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Abstract
本发明针对我国药用植物规模化生产现状，提供一套用于规模化培养药用植物细胞、组织、器官的生物反应器系统，包含一套空气制备系统；一套蒸汽制备系统；一套蒸馏水制备系统；一台补料罐；一台植物培养种子罐；两台植物培养罐；管路连接系统及电脑控制系统。反应器系统中种子罐和培养罐含不锈钢颗粒制成的气体分布器，该气体分布器合喷射的气泡大小及对培养材料产生的剪切力适中，适合植物的生长和其中的药用活性物质的累积。采用本套系统可在模仿天然生培养条件下，生产药用植物，除可使体系内药用活性物质大量累积之外，还可通过调节供氧量，人为形成一种高氧胁迫环境，使培养材料内抗氧化物质大量提高，增加药用植物的药用价值。本套系统为药用植物扩大化培养提供了有效方案，适合规模化生产。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种生物技术领域系统，具体为用于规模化培养药用植物不定根的生物反应器系统。
背景技术
天然药用植物在医药、轻工、化工、食品及农药等方面起重要作用。我国作为世界上使用和出口药用植物最多的国家，大部分植物中药材的野生资源已经枯竭而靠栽培满足需要。例如，曾在东北地区野生资源很丰富的刺五加，自上世纪90年代开始被过度采挖，野生资源几乎耗尽。通常情况下，天然植株中目的次生产物含量过低，采用化学合成，存在工艺流程复杂、成本高、合成过程中形成同分异构体及造成环境污染等问题。为满足需要，人们转向药用植物的大田栽培。但这种方式面临着产品质量随环境变化波动大、农残和重金属污染及与农争粮争地等诸多问题。此外，一些中药材的特殊药用部位决定了其大田栽培的高成本和低收入。例如：一些木本植物的根部和皮部有药用成分，多年栽培后一旦采收，整个植株就不得不重新栽植。采用生物反应器进行植物细胞、组织培养具有具有工作体积大、单位体积生产能力高、物理和化学条件控制方便、随时随地规模化生产等优点，是解决中药资源问题的一条重要途径。
目前韩国已经在高丽参不定根和毛状根的发酵培养方面取得了突破性进展，成功进行了产业化，同时还以培养的高丽参不定根和毛状根开发了系列保健品和化妆品。美国在青蒿的毛状根培养方面也取得了进展，发现供气中加入CO2可以防止培养毛状根的枯死。德国科学家利用培养印度獐牙菜的毛状根成功生产苦杏苷。我国的生物反应器培养技术与国际水平相比差距很大，因大多数植物细胞、组织的生物反应器扩大化关键技术不过关，能真正实现产业化的植物为数很少，药用植物的生物反应器规模化生产则更少。
目前用于药用植物组织、细胞和器官悬浮培养的反应器主要有搅拌式、气升式、鼓泡式等。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对植物离体组织造成损伤。鼓泡式反应器虽然剪切力小，但不利于物质的混合和气体传递。气升式反应器具有结构简单、剪切力小、传质效果好、成本低的特点，是目前经常采用的反应器类型。在气升式反应器中，气体分布状况的好与不好直接关系到药用植物细胞、组织的生长、形态、氧和培养物的吸收和代谢，由此直接影响到最终产物的产率。因此在反应器应用时需尤其注重气体分布器的设计。
目前培养罐中使用的气体分布器有单孔管、由管子绕成的气体分布环及烧结板式气体分布器。单孔管结构简单，易于灭菌，但存在气体分布不均的问题；应用气体分布环虽然气体分布效果好，但结构复杂，容易产生灭菌不彻底的问题(周国忠等，CN101696388A)。烧结式分布器以其良好的气体分布效果而被深入研究并得到应用，如Wu(Bioprocess Eng，1992，8：185-187)在谷氨酸发酵中用孔径40-50μm的烧结板作为分布器，使气升式反应器的传质能力大为提高。郝建欣等(过程工程学报，2002，2：443-447)采用孔径80μm玻砂气体分布器的气升式光反应器培养盐藻生长快、周期短，可同时获得较高的细胞密度和胡萝卜素含量。在大规模培养药用植物时，尽量减小气泡直径，增大气液传质面积，是成功培养的要素之一。但目前的烧结板式气体分布器孔径仍然过大，迫切需要应该新的技术及材料加以改进。
本发明针对我国药用植物规模化生产现状，提供一套用于规模化培养药用植物细胞、组织的生物反应器系统，该系统的不锈钢颗粒气体分布器合喷射的气泡大小及对培养材料产生的剪切力适中，适合植物的生长和其中的药用活性物质的累积。采用本套系统可在模仿天然生培养条件下，生产药用植物，除可使体系内药用活性物质大量累积之外，还可通过调节供氧量，人为形成一种高氧胁迫环境，使培养材料内抗氧化物质大量提高，增加药用植物的药用价值。本套系统为药用植物扩大化培养提供了有效方案，适合规模化生产。
发明内容
本发明的目的为提供一套用于规模化培养药用植物细胞、组织的生物反应器系统。
本发明所提供的生物反应器系统包括：一套空气制备系统(2)；一套蒸汽制备系统(1)；一套蒸馏水制备系统(6)；一台补料罐(5)；一台植物培养种子罐(3)；两台植物培养罐(4)；管路连接系统；电脑控制系统。
所述反应器系统中空气制备系统包括空气压缩机，冷冻式干燥机，储气罐。提供整个系统运行的所需气体。
所述反应器系统中蒸汽制备系统为电热蒸汽发生器。供补料罐、种子罐、培养罐在位灭菌所需。
所述反应器系统中蒸馏水制备系统包括：水过滤设备，一台蒸馏水制备机。提供整个系统运行所需的水源。
所述反应器系统主体之一种子罐，径高比为1.5∶1，罐体具放料阀、视镜、照明灯、pH、DO和温度、液位接口、接种口、补料口等。带备用顶盖具有机械搅拌、切割功能，满足无污染、快速切割，切口平滑不撕裂口。
所述反应器系统主体之一培养罐，径高比为1.5∶1，罐体具放料阀、视镜、照明灯、pH、DO和温度、液位接口、接种口、补料口等。具有入口，保证长期运行后的彻底清洗。
所述反应器系统管路连接系统口径为30～35mm，保证培养植物细胞、组织的通过需要。所述反应器系统为减少污染，系统所用阀门均为进口球阀。
所述反应器系统主体通气方式为底部通气，罐底部安装气体分布器(10)，采用404不锈钢粉末微颗粒压制而成，出气孔径达0.3-0.5μm，具有承重性好、耐热、耐酸碱等特性。该气体分布器系统主要有数个小的分布器组成，每个小分布器的直径为30cm，相互间隔1.0cm，厚度根据容器所受压力确定(10-80cm)。使气体密布于培养液，在增大气液传质面积的同时，尽力减少气升过程对培养组织的剪切力。该分布器可与罐体分离，方便拆卸清洗。
所述反应器系统用于规模化药用植物细胞和组织、器官等，如人参、龙牙楤木等五加科植物。
附图说明：
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例中气体分布器的示意图。
具体实施方式
实施例1整个系统组成
如图1所示，本发明所提供的生物反应器系统包括：一套空气制备系统(2)；一套蒸汽制备系统(1)；一套蒸馏水制备系统(6)；一台补料罐(5)；一台植物培养种子罐(3)；两台植物培养罐(4)；管路连接系统；电脑控制系统。系统主体为种子罐和培养罐，内含气体分布器(9，10)，采用404不锈钢粉末微颗粒压制而成，出气孔径达0.3-0.5μm，具有承重性好、耐热、耐酸碱等特性。该气体分布器系统主要有数个小的分布器组成，每个小分布器的直径为30cm，相互间隔1.0cm，厚度根据容器所受压力确定(10-80cm)。使气体密布于培养液，在增大气液传质面积的同时，尽力减少气升过程对培养组织的剪切力。该分布器可与罐体(7，8)分离，方便拆卸清洗。
实施例2植物反应器系统培养人参不定根
一套空气制备系统(2)；一套蒸汽制备系统(1)；一套蒸馏水制备系统(6)；一台700L补料罐(5)；一台70L种子罐(3)；两台700L植物培养罐(4)；管路连接系统；电脑控制系统。
空气制备系统(2)与种子罐及培养罐相连，提供培养过程中的空气。
蒸汽制备系统(1)与补料罐、种子罐和培养罐相连，供其在位灭菌。
种子罐及培养罐均安装含不锈钢颗粒制成的气体分布器(10)。70L种子罐的气体分布器出气孔径0.3～0.5μm，每个小气体分布器的直径为30cm，相互间隔1.0cm，厚度为12cm；700L植物培养罐的分布器出气孔径0.3～0.5μm，每个小气体分布器的直径为30cm，相互间隔1.0cm，厚度为20cm。
整个系统用于培养人参不定根，培养基为改良SH培养基，种子罐培养周期为3-4周，利用切割系统将不定根切至1cm，然后接入培养罐，培养周期为6周。不定根产量以鲜重计为52.1±2.7kg；60度烘干48h后质量为4.8±0.2kg。
实施例3植物反应器系统培养龙牙楤木细胞
一套空气制备系统(2)；一套蒸汽制备系统(1)；一套蒸馏水制备系统(6)；一台700L补料罐(5)；一台70L种子罐(3)；两台700L植物培养罐(4)，管路连接系统；电脑控制系统。
空气制备系统(2)与种子罐及培养罐相连，提供培养过程中的空气。
蒸汽制备系统(1)与补料罐、种子罐和培养罐相连，供其在位灭菌。
种子罐及培养罐均安装合金颗粒制作的气体分布器(10)。
整个系统用于培养龙牙楤木悬浮细胞，培养基为改良MS培养基，种子罐培养周期为2周，然后接入培养罐，培养周期为3周。细胞产量以鲜重计为4.5±0.2kg。
Claims (1)
1.一种用于规模化培养药用植物的生物反应器系统，包含一套空气制备系统、一套蒸汽制备系统、一套蒸馏水制备系统、一台补料罐、一台植物培养种子罐、两台植物培养罐、电脑控制系统、管路连接系统，系统主体为植物培养种子罐和植物培养罐，其特征在于：植物培养种子罐和植物培养罐底部安装气体分布器系统，该气体分布器系统由404不锈钢粉末微颗粒压制而成，具有承重性好、耐热、耐酸碱的特性；所述分布器系统由多个小的气体分布器组成，每个小气体分布器的出气孔径0.3～0.5μm，直径为30cm，相互间隔1.0cm，厚度根据容器所受压力确定为10-80cm；该分布器系统能与罐体分离，同时每个小分布器也能拆卸，方便清洗。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C53 | Correction of patent for invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Li Yuhua Inventor after: You Xiangling Inventor after: Wang Zhijun Inventor after: Wu Hao Inventor after: Yang Hongyan Inventor after: Zhang Yi Inventor before: Li Yuhua Inventor before: You Xiangling Inventor before: Wang Zhijun Inventor before: Wu Hao Inventor before: Yang Hongyan Inventor before: Zhang Yi Inventor before: Nie Yuzhe Inventor before: Jia Hongbai Inventor before: Liu Xianhong |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: LI YUHUA YOU XIANGLING WANG ZHIJUN WU HAO YANG HONGYAN ZHANG YI NIE YUZHE JIA HONGBAI LIU XIANHONG TO: LI YUHUA YOU XIANGLING WANG ZHIJUN WU HAO YANG HONGYAN ZHANG YI |
|
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: LI YUHUA DAQING BIOTECHNOLOGY RESEARCH INSTITUTE, Free format text: FORMER OWNER: LI YUHUA Effective date: 20120723 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
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Effective date of registration: 20120723 Address after: 150040 Heilongjiang, Xiangfang, Harbin district and Hing Road, No. 26 Applicant after: Northeast Forestry University Co-applicant after: Li Yuhua Co-applicant after: Daqing Biological Technology Research Institute of Northeast Forestry University Address before: 150040 No. 26, Hexing Road, Xiangfang District, Heilongjiang, Harbin Applicant before: Northeast Forestry University Co-applicant before: Li Yuhua |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| ASS | Succession or assignment of patent right |
Free format text: FORMER OWNER: LI YUHUA DAQING BIOTECHNOLOGY RESEARCH INSTITUTE, NORTHEAST FORESTRY UNIVERSITY Effective date: 20150225 Owner name: BRIGHT OCEANS CORPORATION Free format text: FORMER OWNER: NORTHEAST FORESTRY UNIVERSITY Effective date: 20150225 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 150040 HARBIN, HEILONGJIANG PROVINCE TO: 150090 HARBIN, HEILONGJIANG PROVINCE |
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Effective date of registration: 20150225 Address after: 150090, building 1, hi tech Development Zone, Songshan Road, Nangang District, Harbin, Heilongjiang Patentee after: Bright Oceans Corporation Address before: 150040 Heilongjiang, Xiangfang, Harbin district and Hing Road, No. 26 Patentee before: Northeast Forestry University Patentee before: Li Yuhua Patentee before: Daqing Biological Technology Research Institute of Northeast Forestry University |
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Denomination of invention: Bioreactor system for large scale culture of medicinal plants Effective date of registration: 20171030 Granted publication date: 20141105 Pledgee: Bank of China, Limited by Share Ltd Development Zone, Fuxin subbranch Pledgor: Bright Oceans Corporation Registration number: 2017990000998 |
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