CN102783414A - 一种适合于规模化培养植物毛状根的外循环云雾式生物反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适合于规模化培养植物毛状根的外循环云雾式生物反应器。该反应器自上向下由一个316L不锈钢半圆封头、圆柱体、下平底圆柱组成，可以储存营养液并实时测定温度；可实现间歇、定量调节喷雾；通过无菌风机及毛状根生长用呼吸器供氧；保持反应器内有一个恒温、恒湿的环境；可测定反应釜内压力、pH值及内部空气含氧量；装有纯化水管道便于清洗；能实现纯蒸汽消毒。通过模拟潮湿空气进行雾化处理改善反应器的恒速送氧和定期定量供养料状况。
Description
技术领域：
本发明涉及一种濒临灭绝的药用植物资源替代的毛状根规模化培养技术反应器，特别涉及用于千层塔毛状根培养的雾化式反应器技术，属于植物器官培养技术反应器工程领域。
技术背景：
我国是中药材出口大国，然而传统的中药材有80％来自野生资源。由于生态环境的破坏，使得传统的中药材来源受到严峻挑战。植物细胞培养技术在一定程度上可以解决我国中药材来源问题。它为人类提供了各种食品和药物，为人类的健康提供了保障。目前，药用植物细胞培养技术已取得很大进展。已有上百种植物次级代谢产物通过植物细胞培养而获得。
生物反应器是植物细胞培养的最主要设备。它不仅为动植物细胞提供生长环境，而且还是决定其质量和产量的因素之一。
但植物细胞在形态结构上要比微生物大的多，承受剪切力的能力也比微生物要差。植物细胞培养液的黏度与微生物发酵液也有所不同，其黏度随细胞浓度增加而显著增加。另外，与好氧微生物培养相比，植物细胞培养对需氧量要求低的多。目前，用于植物细胞培养的生物反应器主要有机械搅拌式生物反应器和非机械搅拌式生物反应器及光生物反应器，非机械搅拌式反应器又分为气升式生物反应器、电泳管膜生物反应器、亲和层析生物反应器。
机械搅拌式反应器是一种传统的生物反应器。它最大的优点是能使溶质混合均匀。但其剪切力较大，容易造成细胞损伤，影响植物细胞生长和代谢。
气升式生物反应器气升式生物反应器在细胞培养当中应用非常广泛。它与 机械搅拌式反应器相比，其优点是湍动温和均匀，且剪切力小。但此生物反应器的最大缺点是：当细胞高密度培养时，在高通气量的情况下，易驱除培养液中的CO2和乙烯，影响植物细胞生长；在低通气量的情况下，则易造成培养液混合不均。
电泳管膜生物反应器是在柱反应器内中心轴处有一空心陶瓷管，陶瓷管内放有阴极铂丝，外面则绕有阳极铂丝。在通电情况下，带电物质在阴极与阳极之间发生电泳现象，以及细胞膜内带电物质的电渗现象。用于植物细胞培养可有效除去胞内次级代谢产物，维持细胞正常生长。
亲和层析生物反应器适用于培养重组后的植物细胞培养生产异源蛋白。它可以解决植物细胞分泌的蛋白在发酵液中的不稳定问题。它在半连续发酵过程中，利用亲和层析柱除去在发酵液中的异源蛋白，达到收集的目的。
光生物反应器是植物细胞培养生物反应器所特有的。光是大多数植物生长发育所离不开的。在其生理生化过程中，光可以诱导和抑制某些酶的活性作用。所以光微环境是否合适对植物细胞培养有很大影响。
但对培养植物发状根培养，使该技术能够规模化、产业化生产优质替代中药材，减少人类活动对环境和自然带破坏的生物反应器还比较少见，有些反应器从理论上可以实现植物发状根的要求，但设备的过于复杂、操作条件过于苛刻使之难以推广应用。
本发明与传统的生物反应器及一些概念中的生物反应器相比，优势在于：1、利用无菌空气风机产生的空气经过流量计、连接管到两级过滤器，再到反应器顶部到气体分布盘管，均匀分布，与毛状根进行均匀接触，均匀供给毛状根的氧气，通过反应器上部过滤排除；由恒温水储罐通过热水泵连接反应器主体夹层，对主反应器进行恒温环境控制；由雾化发生器通过调节雾化流量，可以对 毛状根进行雾化营养。从而避免了机械搅拌带来的细胞损伤及非机械搅拌带来的易驱除培养液中的CO2和乙烯、影响植物细胞生长、培养液混合不均等一系列影响因素。
2、可以实现多种细胞培养方式，同样的设备在采用不同的操作方式，可以达到不同的效果，本发明利用特定的方式实现了光、氧、培养液的均匀性，为植物细胞的生产提供了必要的条件，同时避免了传统设备对植物生长的不利因素，因此，该设备不仅可利用于植物发状根的培养，对植物其它细胞的培养也适用。
3、可实现细胞培养与下游分离技术结合，使细胞培养与产物提取在生物反应器内同步进行。常用的提取方法(如煎煮法、回流法、浸渍法、渗漉法等)在保留有效成分，去除无效成分方面，存在着有效成分损失大、周期长、工序多。提取率不高等缺点。微波细胞破壁、超临界萃取、超临界梯度结晶等多种新技术、新方法，些新技术和方法的应用，使得中草药提取既符合传统的中医理论，又能达到提高有效成分的收率和纯度的目的。本发明的生物反应器完全可以用于超临界萃取，待植物细胞培养结束后，排出培养液，控制合适的温度及压力，用二氧化碳替代空气，加上分离器，就可在同一个设备内实现植物细胞的培养及有效成份的分离提取。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种适合于规模化培养植物毛状根的外循环云雾式生物反应器，以进行千层塔、红豆杉、金铁锁、东革阿里等的规模化培养，提供优质的中药材，可提取临床需要的天然药物。本发明的生物反应器能够提供适合各种毛状根培养的传质环境和流体力学环境，并获得与细胞培养或摇瓶相同条件下较高的增值倍数和有效成分含量。
本发明的一种用于规模化培养植物毛状根的雾化式生物反应器，它包括：
(a)一个纯蒸汽过滤器(1)；
(b)一个无菌空气风机(2)，该无菌空气风机(2)通过双级空气过滤器(3)、(4)与主反应器半圆上封头(10)连接；
(c)一个第二气体过滤器(4)通过连接管道与反应器内气体分布盘管(19)连接；通过气体过滤器(18)排出；
(d)一个恒温储水罐(5)，该恒温储水罐(5)用连接管道通过热水泵(6)与反应器的夹层连接；
(e)一个空气缓冲罐(20)，该空气缓冲罐(20)用连接管道通过过滤器(21)与无油空压机(22)连接，另一头与反应器的气动液压装置(14)连接；
(f)一个雾化发生器(17)，所述该反应器雾化器(17)，通过连接管道与主体反应器(10)的顶部连接；下部与主体反应器的下部(13)连接；
(g)一个反应器主体，该反应器主体从上到下依次由半圆封头(10)、圆柱体(11)、下平底圆柱(13)组成，所述上部半圆封头中间位置与雾化发生器(17)连接，周围分布有压力计接口、PH计(8)接口、氧传感器(9)接口，所述主体反应器的下部(13)连接温度传感器(12)接口；
(h)一个主体反应器下部(13)，所述主体反应器下部为直径与主体圆柱直径一样，带气动液压装置(14)，方便出料过程。
(j)一个主体反应器上部(10)，带一个人孔(9)，用于细胞接种，一个视镜灯(15)，用于观察反应器内毛状根生长情况。
为了给毛状根生长提供一个良好的生长环境，包括流体力学和传质环境状况，模拟天然植物的生长环境，尤其营养液供应采用定量间歇雾化式喷雾；定量恒变速供气，利于毛状根生长。规模化培养植物毛状根的雾化式生物反应器主体部分的结构设计为上下两部分，中间加有滤板，毛状根培养时在反应器上 部，下部既是营养液储存，也便于次生代谢产物的积累。培养完成气动液压装置可以自由分离打开，取出毛状根。同时设有空反应器进行纯蒸汽消毒和纯水清洗装置。通过调整反应器上下部体积比，变化雾化流量，可获得不同数量的毛状根。
附图说明：
附图1为本发明的适合于规模化培养植物毛状根的外循环云雾式生物反应器立面图示意图。
附图2为本发明的适合于规模化培养植物毛状根的外循环云雾式生物反应器平面图示意图。
附图3为本发明的适合于规模化培养植物毛状根的外循环云雾式生物反应器工艺流程图。
具体实施方式
结合附图和具体实施例多本发明作详细描述。
本发明一种适合于规模化培养植物毛状根的外循环云雾式生物反应器，它包括：一个纯蒸汽过滤器(1)；一个无菌空气风机(2)，该无菌空气风机(2)通过双级无菌空气过滤器(3)、(4)与主反应器半圆上封头(10)连接；通过连接管道与反应器内气体分布盘管(19)连接；通过气体过滤器(18)排出；一个恒温储水罐(5)，该恒温储水罐(5)用连接管道通过热水泵(6)与反应器的夹层连接；一个空气缓冲罐(20)，该空气缓冲罐(20)用连接管道通过过滤器(21)与无油空压机(22)连接，另一头与反应器的气动液压装置(14)连接；一个雾化发生器(17)，所述该反应器雾化器(17)，通过连接管道与主体反应器(10)的顶部连接；下部与主体反应器的下部(13)连接；一个反应器主体，该反应器主体从上到下依次由半圆封头(10)、圆柱体(11)、下平底圆柱(13)组成，所述上部半圆封头中间位置与雾化发生器(17)连接，周围分布有压力计接口、PH计(8)接口、氧传感器(9)接口，所述主体反应器的下部(13)连接温度传感器(12)接口；一个主体反应器下部(13)，所述主体反应器下部为直径与主体圆柱直径一样，带气动液压装置(14)，方便出料过程。一个主体反应器上部(10)，带一个人孔(9)，用于细胞接种，一个视镜灯(15)，用于观察反应 器内毛状根生长情况。
反应器主体圆柱体积与半圆上封头球体体积比为4∶1——40∶1，最好为：4∶1，，所述反应器主体圆柱体积与半圆上封头球体体积和与下部比为1∶1——35∶1；最好2∶1。
由无菌空气风机(2)产生的空气经过流量计、连接管到两级过滤器(3)、(4)，再到反应器顶部到气体分布盘管(19)，均匀分布，与毛状根进行均匀接触，均匀供给毛状根的氧气，通过反应器上部过滤排除；由恒温水储罐(5)通过热水泵(6)连接反应器主体夹层，对主反应器进行恒温环境控制；由雾化发生器(17)通过调节雾化流量，可以对毛状根进行雾化营养。
Claims (10)
1.一种适合于规模化培养植物毛状根的外循环云雾式生物反应器。其特征在于，它包括：
(a)一个纯蒸汽过滤器(1)；
(b)一个无菌空气风机(2)，该无菌空气风机(2)通过双级空气过滤器(3)、(4)与主反应器半圆上封头(10)连接；
(c)一个第二气体过滤器(4)通过连接管道与反应器内气体分布盘管(19)连接；通过气体过滤器(18)排出；
(d)一个恒温储水罐(5)，该恒温储水罐(5)用连接管道通过热水泵(6)与反应器的夹层连接；
(e)一个空气缓冲罐(20)，该空气缓冲罐(20)用连接管道通过过滤器(21)与无油空压机(22)连接，另一头与反应器的气动液压装置(14)连接；
(f)一个雾化发生器(17)，所述该反应器雾化器(17)，通过连接管道与主体反应器(10)的顶部连接；下部与主体反应器的下部(13)连接；
(g)一个反应器主体，该反应器主体从上到下依次由半圆封头(10)、圆柱体(11)、下平底圆柱(13)组成，所述上部半圆封头中间位置与雾化发生器(17)连接，周围分布有压力计接口、PH计(8)接口、氧传感器(9)接口，所述主体反应器的下部(13)连接温度传感器(12)接口；
(h)一个主体反应器下部(13)，所述主体反应器下部为直径与主体圆柱直径一样，带气动液压装置(14)，方便出料过程。
(j)一个主体反应器上部(10)，带一个人孔(9)，用于细胞接种，一个视镜灯(15)，用于观察反应器内毛状根生长情况。
2.根据权利要求1所述的用于培养千层塔、红豆杉、金铁锁、东革阿里等毛状根的雾化式反应器，其特征在于，所述反应器主体圆柱体积与半圆上封头球体体积比为4∶1——40∶1。
3.根据权利要求2所述的用于培养千层塔、红豆杉、金铁锁、东革阿里等毛状根的雾化式反应器，其特征在于，所述反应器主体圆柱体积与半圆上封头球体体积比为2∶1——25∶1。
4.根据权利要求1所述的用于培养千层塔、红豆杉、金铁锁、东革阿里等毛状根的雾化式反应器，其特征在于，所述反应器主体圆柱体积与半圆上封头球体体积和与下部比为1∶1——35∶1。
5.根据权利要求4所述的用于培养千层塔、红豆杉、金铁锁、东革阿里等毛状根的雾化式反应器，其特征在于，所述反应器主体圆柱体积与半圆上封头球体体积比为1∶190——35∶1。
6.根据权利要求1-4所述的用于培养千层塔、红豆杉、金铁锁、东革阿里等毛状根的雾化式反应器，其特征在于，所述反应器主体圆柱体与半圆上封头球体的夹角为30-45度。
7.根据权利要求1-4所述的用于培养千层塔、红豆杉、金铁锁、东革阿里等毛状根的雾化式反应器，其特征在于，所述反应器主体圆柱体与半圆上封头球体的夹角为45-75度。
8.根据权利要求1所述的用于培养千层塔、红豆杉、金铁锁、东革阿里等毛状根的雾化式反应器，其特征在于，所述反应器雾化装置雾化最大值为200ml/H--10000ml/H。
9.根据权利要求1所述的用于培养千层塔、红豆杉、金铁锁、东革阿里等毛状根的雾化式反应器，其特征在于，所述反应器送氧装置送空气为200ml/H--10000ml/H。
10.根据权利要求1所述的用于培养千层塔、红豆杉、金铁锁、东革阿里等毛状根的雾化式反应器，其特征在于，所述反应器容器为5000ml--3000000ml。
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