CN102433259B - 一种全波长可控光源的生物培养装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全波长可控光源的生物培养装置，包括外围带隔热层的箱体，设置在箱体内顶部和四个侧面的光波长可控LED灯珠面板，设置在箱体内温度和湿度传感器，箱体底部设有加热器和加湿器，一个微型静音压缩机。本发明提供全波长可调光源和石英培养瓶，可以通过植物组织培养、细胞培养、微生物培养和动物培养的方式从事生物光反应研究，操作简单，光源可以根据不同的要求进行波长组合和光照时间程序设置。

Description

一种全波长可控光源的生物培养装置

技术领域

本发明技术涉及生物培养领域，尤其涉及一种全波长可控光源的植物材料（包括愈伤组织和小苗）培养装置，适用于光照控制生物细胞或组织或植物体光反应研究、生理代谢研究或动物光反应生理研究。

背景技术

大量的科学研究证明：自养生物细胞在一定波长的光源照射下营养生长和次生代谢产物积累都受到波长的定向调节，异养生物细胞在特殊波长光源的刺激下代谢途径也会发生变化而导致一些生物活性物质的积累。生活细胞的这一特点可用于工业化生产人类需要的生物活性物质或者药物。由于不同波长的光源都具备一定的能量，且只能被生活细胞内某些特殊的光敏色素或者其它光敏物质（如某些酶或者非酶蛋白质受体）吸收而使基因表达或相应的代谢网络发生变化，由此引起某些特定的次生代谢产物表达量增加。这是本发明装置的理论基础。利用生活细胞的这一特性，可以系统深入地研究不同波长光源对生物体或组织细胞的生理活动、培养细胞代谢网络的调控机理，这些未知的光反应机制是生物光反应科学研究的重要内容。

各种波长的光照射对植物生长分化、新陈代谢、动物的生理活动和培养细胞内的复杂的代谢网络具有一定的光化学效应，从而对信号转导、酶的活性和基因表达具有调节功能，这对以生物光反应理论和以细胞培养为手段生产生物活性物质和药物为目的的生物工程产业具有重大意义。尤其是珍稀药用植物的组织培养或栽培或者细胞发酵光反应研究具有重大意义，但是目前尚没有符合这一研究需要的科学仪器。

发明内容

本发明的目的是针对现有的技术存在的上述问题，是在于提供了一种全波长可控光源的生物培养装置，该装置提供从200纳米到1000纳米范围的全波长光源和LED日光灯光源，根据科学研究的需要，该装置上的光源控制器可以选择该波长范围内的任意波长的光进行组合以获得特殊波长组合的混合光源或单色光源，利用此光源对发酵细胞或植物愈伤组织或植物幼苗或小型动物进行光反应研究。尤其适用于：特定波长的光照对某些基因的表达调控，对次生代谢产物积累的调控，对植物细胞生长、分化的调控等方面的研究，对植物体的生理活动、新陈代谢的调控，对小型动物的生理活动影响。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：

一种全波长可控光源的生物培养装置，包括箱体、培养瓶，其特征在于：

箱体中：

第一面立体LED光照面板控制器，第二面立体LED光照面板控制器，第三面立体LED光照面板控制器，第四面立体LED光照面板控制器，第五面立体LED光照面板控制器，温度、湿度和紫外灯控制器分别固定在箱体顶部面板的内侧，从左到右依次排列。

第一面立体LED光照面板控制器与第二面立体LED光照面板控制器连接，第二面立体LED光照面板控制器与第三面立体LED光照面板控制器连接，第三面立体LED光照面板控制器与第四面立体LED光照面板控制器连接，第四面立体LED光照面板控制器与第五面立体LED光照面板控制器连接，第五面立体LED光照面板控制器与温度、湿度和紫外灯控制器连接；每个控制器的数字显示和参数设置面板外露并位于箱门的上方各自对应的位置。

加热器、压缩机、加湿器三个部件分别固定在箱体底板上。

LED光源板固定在相应的箱体面板内壁上；内壁面板（石英面板）覆盖在LED光源板上；箱体内其他四面内壁均采用相同的方式设置。

第一阀门固定在箱体顶部面板上方，第一阀门的通气孔在垂直部位贯穿箱体顶部以利于通气；第二阀门为位于箱体底板上的通气阀门，第二阀门也在垂直部位贯穿箱体底部，第一阀门和第二阀门用于箱内通气。

第一箱门固定在该箱体左边的面板上，第二箱门固定在箱体右边的面板上，两个箱门为对开；第一箱板安装在箱体内二分之一高度，第二箱板安装在箱体内左右方向的垂直正中部位。

培养瓶包括石英瓶体、石英瓶盖、无菌通气塞插口、石英瓶体高度为5-20厘米，直径为3-20厘米，也可以根据研究需要定做，石英瓶盖内部为磨口，盖在瓶口上，瓶口外表面也是磨口，便于与石英瓶盖密封，无菌通气塞插口位于石英瓶盖顶部，石英瓶盖顶部在该无菌通气塞插口下有开孔，便于插上无菌塞子后保持无菌空气进入瓶内。

所述的内壁面板为石英面板。

所述的LED光源板上安装有波长范围为200-1000纳米LED灯和LED日光灯，其中波长范围为200-1000纳米LED灯用于调节不同波长的光源，LED日光灯用于传统光源对照，全波长LED装置的波长调节的最小梯度为5-10纳米。

一种全波长可控光源的生物培养装置，它由外围箱体、石英瓶体、石英瓶盖、无菌通气塞插口、第一面立体LED光照面板控制器，第二面立体LED光照面板控制器，第三面立体LED光照面板控制器，第四面立体LED光照面板控制器，第五面立体LED光照面板控制器、温度、湿度和紫外灯控制器、加热器和压缩机、加湿器、石英面板、LED灯、通气阀门、箱门、箱板组成。其连接关系是：外围箱体为双层不锈钢面板中间夹有泡沫隔热材料制成的保温板材，外围箱体内侧立体五个表面装有LED面板（电子工业用的电路板），LED灯珠固定在LED面板上。每个电路板上LED灯珠紧密排列，排列顺序为按照灯珠的波长顺序横向或纵向排列，即：200nm,205nm,210nm……1000nm,200nm,205nm,210nm……1000nm和LED日光灯，依此类推，排到电路板的末端为止，其中一个电路板的排列方向与对立面的电路板的排列走向相反，以确保箱体内发酵细胞、组织或者植物体所受光源的均匀性，五块LED面板的控制器分别位于箱体顶端下面第一面立体LED光照面板控制器，第二面立体LED光照面板控制器，第三面立体LED光照面板控制器，第四面立体LED光照面板控制器，第五面立体LED光照面板控制器，（如图1所示），另外，位于箱体顶端下面温度、湿度和紫外灯控制器6与加热器和静音压缩机和加湿器相连。LED面板位于外围箱体和箱内石英玻璃板之间，箱内的前后左右和顶端的石英玻璃板与箱体底部不锈钢板紧密结合，形成一个密闭的箱内空间。顶部石英玻璃板、顶部LED面板和箱体顶部面板均有一个小孔与通气阀门相连，底板有一个相同大小的小孔，以确保空气流通。

一种全波长可控光源的生物培养装置，它包括外围箱体，设置在外围箱体内的LED发光板，箱体内由石英玻璃板构成的内壁，顶部、前、后、左右的LED发光面板的控制器分别为第一面立体LED光照面板控制器、第二面立体LED光照面板控制器、第三面立体LED光照面板控制器、第四面立体LED光照面板控制器、第五面立体LED光照面板控制器，温度、湿度和紫外灯控制器为温度湿度控制器和杀菌灯开关按钮，加热器和压缩机为制热制冷系统（包括一个加热器和一个微型静音压缩机，及温度传感器），加湿器为加湿器。加热器和压缩机和加湿器均由温度、湿度和紫外灯控制器进行数字化控制，通气阀门为空气对流孔，其特征在于：提供空间五面光照，可用于组织培养，细胞培养，微生物培养、植物小苗培养和动物培养；五面LED光源分别由控制器控制，五个控制器均有200-1000纳米范围内的波长选择和组合功能和LED日光灯控制功能，光照时间程序设置功能；箱体内壁均由石英玻璃面板组成，光滑无菌；静音压缩机确保箱内安静；加湿器调节箱内湿度，便于培养植物小苗。

与本培养箱配套使用的是用于组织培养或细胞培养的石英培养瓶。瓶体由石英玻璃制成，以确保200-1000纳米范围内所有波长的透过性，为瓶盖，为瓶口，瓶盖与瓶口接触的部位为磨砂接触，便于密封，为无菌通气塞插入口。其特征在于：整个瓶体为石英玻璃制成，对200-1000纳米范围内的光波具有良好的通透性，适用于全波长生物光反应研究；瓶盖带有磨砂口和通气塞插口，解决了组织培养或细胞培养的通气问题，简化无菌实验操作。 

所述的全波长LED装置的波长范围为200-1000纳米和LED日光灯，全波长LED装置的波长调节的最小梯度为5-10纳米。

第一面立体LED光照面板控制器，第二面立体LED光照面板控制器，第三面立体LED光照面板控制器，第四面立体LED光照面板控制器，第五面立体LED光照面板控制器分别与顶部、前、后、左、右LED面板连接；包括静音功能的压缩机和加热器的加热制冷装置和加湿器均与控制器连接并由控制器控制。

所述的全波长LED装置的波长范围为200-1000纳米，全波长LED装置的波长调节的最小梯度为5-10纳米。所述的LED灯珠固定在电路板上。每个电路板上LED灯珠紧密排列，排列顺序为按照灯珠的波长顺序横向或纵向排列，即：200nm,205nm,210nm……1000nm,200nm,205nm,210nm……1000nm和LED日光灯，依此类推，排到电路板的末端为止，其中一个电路板的排列方向与对立面的电路板的排列走向相反，以确保箱体内发酵细胞、组织或者植物小苗所受光源的均匀性，每个光源控制器的控制功能为：该控制器所控制的LED面板上同一波长的多个LED灯珠并联作为一个电源控制单位。

所述的隔光板可以将箱体内分割为四个或者多个培养空间，每个培养空间内可以分别控制光源的波长，可以在同一个培养箱内同时进行多个波长光源的细胞或者组织培养对比试验。 

包括外围箱体，设置在外围箱体内的石英玻璃制成的内壁和隔光板（根据需要，隔光板可以增加、减少或撤除），箱体内有五个方位的LED面板提供立体光源，设置在箱体底部且与顶部控制器连接的加热器、压缩机和加湿器。

如上所述的全波长LED装置的波长范围为200-1000纳米和LED日光灯，全波长LED装置的波长调节的最小梯度为5-10纳米。

本装置还包括箱体顶部通气阀门可以保持箱内通气性，通气阀门内有微型换气扇。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1．结构简单，操作简单方便；

2．提供精确的光源控制系统，适合科学研究需要。

3．在现有的培养箱基础上加入全波长可控光源，填补了生物光反应研究所需仪器和技术的空白。

4. 箱体内壁和培养瓶体为石英玻璃，确保各波长光源的透过率。

5. 根据发酵细胞和目的产物的需要，将光源改成特定波长组合的光源板，可以用于工业化组织培养，利用光反应原理提高组织细胞生长速度、生长量以及目的产物的产量。

附图说明

图1为一种全波长可控光源的生物培养装置的结构示意图。

图2为一种石英瓶体结构示意图。

其中：1-第一面立体LED光照面板控制器，2-第二面立体LED光照面板控制器，3-第三面立体LED光照面板控制器，4-第四面立体LED光照面板控制器，5-第五面立体LED光照面板控制器，6-温度、湿度和紫外灯控制器，12-箱体、13-培养瓶，13a-石英瓶体，13b-石英瓶盖，13c-无菌通气塞插口，13d-瓶口，7a-加热器，7b-压缩机，8-加湿器，9-内壁面板（石英面板），10-LED光源板，11-第一阀门，14a-第一箱门，14b-第二箱门，15a-第一箱板，15b-第二箱板、16-第二阀门。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，一种全波长可控光源的生物培养装置，包括箱体12、培养瓶13。第一面立体LED光照面板控制器1，第二面立体LED光照面板控制器2，第三面立体LED光照面板控制器3，第四面立体LED光照面板控制器4，第五面立体LED光照面板控制器5，温度、湿度和紫外灯控制器6分别固定在箱体内壁，其数字显示和参数设置面板固定在箱体外面最上方。加热器7a、压缩机7b、加湿器8这三个部件分别固定在箱体12底板上，内壁面板（石英面板）9覆盖在LED光源板上，并由螺钉分别固定在箱体12面板上，LED光源板10固定在相应的箱体12面板上，通气阀门11固定在箱体12顶部面板上方，顶部面板有通气孔与该阀门相连，箱内顶部的石英面板和箱内顶部的LED面板均有一个通气孔并与阀门通气孔连通，用于箱内通气。第一箱门14a固定在该箱体左边的面板上，第二箱门14b固定在该箱体右边的面板上，两个箱门为对开；第一箱板15a安装在箱内二分之一高度，第二箱板15b安装在箱体左右方向的垂直正中部位。培养瓶13组成是：石英瓶体13a高度和直径尺寸可以根据研究需要定做，石英瓶盖13b内部为磨口，盖在瓶口13d上，瓶口13d外表面也是磨口，便于与瓶盖13密封，无菌通气塞插口13c位于石英瓶盖13b顶部，石英瓶盖13b顶部在该无菌通气塞插口13c下有开孔，便于插上无菌塞子后保持无菌空气进入瓶内。

每个电路板上LED光源板紧密排列，排列顺序为按照灯珠的波长顺序横向或纵向排列，即：200nm,205nm,210nm……1000nm,200nm,205nm,210nm……1000nm

和LED日光灯，依此类推，排到电路板的末端为止，其中一个电路板的排列方向与对立面的电路板的排列走向相反，以确保箱体内发酵细胞、组织或者植物体所受光源的均匀性，五块LED面板的控制器分别位于箱体顶端下面第一面立体LED光照面板控制器1，第二面立体LED光照面板控制器2，第三面立体LED光照面板控制器3，第四面立体LED光照面板控制器4，第五面立体LED光照面板控制器5（如图1所示），另外，温度和适度监测及控制位于箱体顶端下面温度、湿度和紫外灯控制器6，温度、湿度和紫外灯控制器6与加热器7a、压缩机7b和加湿器8相连。LED光源板10位于外围箱体12和箱内石英玻璃板9之间，箱内的前后左右和顶端的石英玻璃板与箱体底部不锈钢板紧密结合，形成一个密闭的箱内空间。顶部石英玻璃板有一个小孔与通气阀门11相连，底板有一个相同大小的通气孔，以确保空气流通。设置在外围箱体12内的石英玻璃制成的（石英面板）内壁面板9，箱体12和石英内壁面板9之间设置有LED光源板10，从五面为箱内提供立体光源，并分别由第一面立体LED光照面板控制器1，第二面立体LED光照面板控制器2，第三面立体LED光照面板控制器3，第四面立体LED光照面板控制器4，第五面立体LED光照面板控制器5控制，全波长LED装置10的波长范围为200-1000纳米，波长调节的最小梯度为5-10纳米。还包括设置在箱体底部的加热器7a、压缩机7b且与箱体顶部的紫外灯控制器6连接, 紫外灯控制器6显示温度和设定温度并自动控制。设置在箱体内的加湿器8且与箱体顶部紫外灯控制器6连接，显示湿度和设置湿度，并自动控制。用于箱内空间分隔的箱板15a和15b。图2中的培养瓶13为石英玻璃制作而成。包括瓶体13a、带磨口的瓶盖13b、瓶口13d、无菌通气塞插入口13c，该培养瓶13所有材料均由石英玻璃制成，以确保200-1000纳米范围内所有波长的透过性，瓶盖13b与瓶口13d接触的部位为磨砂接触，便于密封。

实施例2：

一种全波长可控光源生物培养装置实验室应用方法：

生物材料：红景天愈伤组织

培养基：优化的红景天愈伤组织培养基。

光反应条件研究：

接种愈伤组织后0-24小时：  黑暗培养，细胞适应期。

接种后2-30天：620-630纳米光照处理，表面光照强度：400LUX（勒克斯），为细胞快速分裂增长的光波条件，愈伤组织可以快速增长。30-60天：420-440纳米50%+620-630纳米50%（50%表示两种光源各占一半形成混合光源并同时照射，以下同理），或320-350纳米40%+620-630纳米60%，或280-320纳米10%+620-630纳米90%光照处理，表面光照强度：400LUX，为红景天分化幼苗和生根的优化光波条件。可以反复优化得到红景天愈伤组织生长和组培苗分化的最佳光波组合。

实施例3：

一种全波长可控光源生物培养置实验室应用方法：

生物材料：蛹虫草（Cordyceps militaris）菌种

培养基：  蛹虫草液体培养基

光控发酵程序：

接种后0-48小时：黑暗培养，以使菌种适应与恢复生长。

接种后48-168小时：620-630纳米、或600-620或630-640纳米或650-660纳米光照处理，表面光照强度：400LUX，反复优化可获得菌丝分裂增长和腺苷生物合成的最佳光波条件。

接种后168-288小时：380-400纳米或400-410纳米或410-420纳米或420-440纳米光照处理，表面光照强度：400LUX，反复优化可获得虫草素和类胡萝卜素生物合成最佳光波条件。

实施例4：

一种全波长可控光源生物培养置实验室应用方法：

生物材料：人参分离细胞

培养基：  优化的人参细胞液体培养基

光控培养程序：

接种后0-24小时：黑暗培养，以使细胞适应与恢复生长。

接种后24-168小时：620-630纳米光照处理，表面光照强度：400LUX，为优化的人参细胞分裂增长光波条件。此时可获得最大人参细胞生物量。

接种后168-288小时：620-630纳米和420-440纳米各占50%的比率进行光照处理，表面光照强度：400LUX，为优化的人参皂苷生物合成光波条件。此时可获得最大人参皂苷产量。

Claims (3)

1.一种全波长可控光源培养装置在蛹虫草菌种培养中的应用，该装置包括箱体（12）、培养瓶（13），其特征在于：

箱体（12）中：

第一面立体LED光照面板控制器（1），第二面立体LED光照面板控制器（2），第三面立体LED光照面板控制器（3），第四面立体LED光照面板控制器（4），第五面立体LED光照面板控制器（5），温度、湿度和紫外灯控制器（6）分别固定在箱体顶部面板的内侧，从左到右依次排列；

第一面立体LED光照面板控制器（1）与第二面立体LED光照面板控制器（2）连接，第二面立体LED光照面板控制器（2）与第三面立体LED光照面板控制器（3）连接，第三面立体LED光照面板控制器（3）与第四面立体LED光照面板控制器（4）连接，第四面立体LED光照面板控制器（4）与第五面立体LED光照面板控制器（5）连接，第五面立体LED光照面板控制器（5）与温度、湿度和紫外灯控制器（6）连接；每个控制器的数字显示和参数设置面板外露并位于箱门的上方各自对应的位置；

加热器（7a）、压缩机（7b）、加湿器（8）三个部件分别固定在箱体底板上；

LED光源板（10）固定在相应的箱体（12）面板内壁上；内壁面板（9）覆盖在LED光源板（10）上；箱体内其他四面内壁均采用相同的方式设置；

第一阀门（11）固定在箱体（12）顶部面板上方，第一阀门（11）的通气孔在垂直部位贯穿箱体（12）顶部以利于通气；第二阀门（16）为位于箱体（12）底板上的通气阀门，第二阀门（16）也在垂直部位贯穿箱体（12）底部，第一阀门（11）和第二阀门（16）用于箱内通气；

第一箱门（14a）固定在该箱体（12）左边的面板上，第二箱门（14b）固定在箱体（12）右边的面板上，两个箱门为对开；第一箱板（15a）安装在箱体（12）内二分之一高度，第二箱板（15b）安装在箱体（12）内左右方向的垂直正中部位；

培养瓶（13）包括石英瓶体（13a）、石英瓶盖（13b）、无菌通气塞插口（13c）、石英瓶体（13a）高度为5-20厘米，直径为3-20厘米，石英瓶盖（13b）内部为磨口，盖在瓶口（13d）上，瓶口（13d）外表面也是磨口，便于与石英瓶盖（13b）密封，无菌通气塞插口（13c）位于石英瓶盖（13b）顶部，石英瓶盖（13b）顶部在该无菌通气塞插口（13c）下有开孔，便于插上无菌塞子后保持无菌空气进入瓶内，

生物材料：蛹虫草菌种

培养基：蛹虫草液体培养基

步骤1、接种后0-48小时：黑暗培养；

步骤2、接种后48-168小时：620-630纳米、或600-620或630-640纳米或650-660纳米光照处理，表面光照强度：400LUX，反复优化可获得菌丝分裂增长和腺苷生物合成的最佳光波条件；

步骤3、接种后168-288小时：380-400纳米或400-410纳米或410-420纳米或420-440纳米光照处理，表面光照强度：400LUX，反复优化可获得虫草素和类胡萝卜素生物合成最佳光波条件。

2.根据权利要求1所述的一种全波长可控光源培养装置在蛹虫草菌种培养中的应用，其特征在于：所述的内壁面板（9）为石英面板。

3.根据权利要求1所述的一种全波长可控光源培养装置在蛹虫草菌种培养中的应用，其特征在于：所述的LED光源板（10）上安装有波长范围为200-1000纳米LED灯。

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