CN103443263B - 一种全波长可控光源的生物反应装置 - Google Patents

一种全波长可控光源的生物反应装置 Download PDF

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Abstract

一种全波长可控光源的生物反应装置，设置在外围箱体（4）内的罐体（5），罐体（5）顶部设置有罐盖（14），设置在罐体（5）内且一端与罐盖（14）连接的石英玻璃制成的螺旋搅泮器（2），设置在罐体（5）内且一端与罐盖（14）连接的温度和PH值传感器（9），罐体（5）底部与设置有开关阀（13）的发酵液出口管（15）的一端连通，发酵液出口管（15）的另一端穿出外围箱体（4），罐盖（14）上设置有与罐体（5）连通的培养基入口管（8），培养基入口管（8）位于罐体（5）外部的一端设置有第二无菌过滤器（702）且穿出外围箱体（4），罐体（5）侧壁上设置有波长可调的全波长LED装置（1），外围箱体（4）外壁设置有用于调节全波长LED装置（1）波长的总控制器（11）。该装置全波长光源可选、操作简单、控制精确，适用于生物细胞光反应研究和发酵工业上特定波长光控细胞发酵生产。

Description

一种全波长可控光源的生物反应装置
技术领域
本发明技术涉及生物细胞光反应领域，尤其涉及一种全波长可控光源的生物反应装置，适用于光照控制野生型生活细胞或工程细胞遗传研究、代谢研究或工业化光控细胞发酵工艺。
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(如某些酶及其辅酶或者非酶蛋白质受体)吸收而使蛋白质的空间结构发生变化，最终导致基因表达或相应的代谢网络发生变化，由此引起生活细胞的初生生长增强或减弱或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，也是生物技术和生物工程高科技产业中细胞光反应技术领域的核心理论。
各种波长的光照射对生物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。因此研究全波长范围内的各波长光源与生活细胞内代谢网络之间的作用规律、作用靶点，对生物细胞代谢光反应具有重大的理论意义，对生物工程高新技术开发具有重大的实践意义。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，提供一种全波长可控光源的生物反应装置，该装置提供从200纳米到1000纳米范围的全波长光源，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。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反应装置，包括外围箱体和设置在外围箱体内的石英玻璃制成的罐体，罐体顶部的设置有罐盖，还包括通气玻璃管道、设置在罐体内且一端与罐盖连接的石英玻璃制成的螺旋搅拌器和设置在罐体内且一端与罐盖连接的温度和PH值传感器，罐体底部与设置有开关阀的发酵液出口管的一端连通，发酵液出口管的另一端穿出外围箱，罐盖上设置有与罐体连通的培养基入口管，培养基入口管位于罐体外部的一端穿出外围箱体且设置有第二无菌过滤器，罐体侧壁上设置有波长可调的全波长LED装置，外围箱体外壁设置有用于调节全波长LED装置波长的总控制器，通气玻璃管道一端穿过罐盖与罐体连通，另一端穿出外围箱体且设置有第一无菌过滤器。
如上所述的全波长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。
如上所述的通气玻璃管道与罐体连通的一端延伸至罐体底部。
如上所述的通气玻璃管道为二条。
如上所述的罐体上部设置有微量取样口。
如上所述的外围箱体的底部内壁上设置有自动控温加热器。
如上所述的全波长LED装置包括设置有LED的印制板，印制板设置有LED的一面与罐体外围相适配。
如上所述的印制板包括第一印制板和第二印制板，且设置在罐体两侧。
如上所述的第一印制板上的LED与第二印制板上的LED镜像对称分布，第一印制板和第二印制板镜像对应的LED波长错开分布。
如上所述的第一印制板上的LED与第二印制板上的LED镜像对称分布，第一印制板上的LED按照波长递增依次排列，第二印制板上镜像对应的LED按照波长递减依次排列。
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.在现有的发酵罐技术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.发酵罐体为石英玻璃制作，确保各波长光源的透过率，也便于随时观察细胞或组织的生长状况，同时外围加一个密闭箱体，可以对发酵液保温和遮光以避免环境光线的影响。
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，可以用于工业化细胞发酵，利用光反应原理提高细胞生长速度、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反应装置的结构示意图；
图中：1-全波长LED装置；2-螺旋搅拌器；3-通气玻璃管道；4-外围箱体；5-罐体；6-气体输入管道；701-第一无菌过滤器(聚苯乙烯材料，孔径0.1-0.45微米)；702-第二无菌过滤器(聚苯乙烯材料，孔径0.1-0.45微米)；8-培养基入口管；9-温度和PH值传感器(温度范围：0-120摄氏度，pH值传感范围：pH4.0-10.0)；10-自动控温系统(带加热器和微型静音压缩机，控温范围0-50摄氏度，由总控制器调控)；11-总控制器(具有液晶显示面板、光波和温度选择按键、调节光波和温度以及显示pH值的集成电路组成；液晶面板可以显示当前温度、温度设置、pH值和波长显示及其设置)；12-微量取样口；13-开关阀；14-罐盖；15-发酵液出口管。
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反应装置，包括外围箱体4和设置在外围箱体4内的石英玻璃制成的罐体5，罐体5顶部的设置有罐盖14，还包括通气玻璃管道3、设置在罐体5内且一端与罐盖14连接的石英玻璃制成的螺旋搅拌器2和设置在罐体5内且一端与罐盖14连接的温度和PH值传感器9，罐体5底部与设置有开关阀13的发酵液出口管15的一端连通，发酵液出口管15的另一端穿出外围箱体4，罐盖14上设置有与罐体5连通的培养基入口管8，培养基入口管8位于罐体5外部的一端穿出外围箱体4且设置有第二无菌过滤器702，罐体5侧壁上设置有波长可调的全波长LED装置1，外围箱体4外壁设置有用于调节全波长LED装置1波长的总控制器11，通气玻璃管道3一端穿过罐盖14与罐体5连通，另一端穿出外围箱体4且设置有第一无菌过滤器701。全波长LED装置1的波长范围为200-1000纳米，全波长LED装置1的波长调节的最小梯度为5-10纳米。通气玻璃管道3与罐体5连通的一端延伸至罐体5底部。通气玻璃管道3为二条。罐体5上部设置有微量取样口12。外围箱体4的底部内壁上设置有自动控温加热器10。全波长LED装置1包括设置有LED的印制板，印制板设置有LED的一面与罐体5外围相适配。印制板包括第一印制板和第二印制板，且设置在罐体5两侧。第一印制板上的LED与第二印制板上的LED镜像对称分布，第一印制板和第二印制板镜像对应的LED波长错开分布。第一印制板上的LED与第二印制板上的LED镜像对称分布，第一印制板上的LED按照波长递增依次排列，第二印制板上镜像对应的LED按照波长递减依次排列。
作为一种优选方案，第一印制板上LED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……依此类推，排到电路板的末端为止，第二印制板的LED的排列方向与第一印制板的LED排列走向镜像相反，以确保罐体内发酵细胞所受光源的均匀性。总控制器11的控制功能为：同一波长的多个LED灯珠并联作为一个电源控制单位，第一印制板和第二印制板分别进行控制。
实施例2：
一种全波长可控光源的生物反应装置实验室应用方法：
生物材料：红景天分离细胞
培养基：优化的红景天细胞培养液
光反应条件研究：
接种后0-24小时：黑暗培养，细胞适应期。
接种后24-124小时：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。取样检测细胞增长量和红景天苷含量。接种后124-168小时：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，为红景天苷生物合成的优化光波条件。取样检测红景天苷含量，可以反复优化得到红景天苷生物合成最佳光波组合。
实施例3：
一种全波长可控光源的生物反应装置实验室应用方法：
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纳米光照处理，表面光照强度：400LUX，为优化的菌丝分裂增长和腺苷生物合成光波条件。此时可获得最大菌丝体生物量和最大腺苷产量。
接种后168-288小时：420-440纳米光照处理，表面光照强度：400LUX，为优化的虫草素和类胡萝卜素生物合成光波条件。此时可获得最大虫草素产量和类胡萝卜素产量。

Claims (10)

1.一种全波长可控光源的生物反应装置，包括外围箱体(4)和设置在外围箱体(4)内的石英玻璃制成的罐体(5)，罐体(5)顶部的设置有罐盖(14)，其特征在于：还包括通气玻璃管道(3)、设置在罐体(5)内且一端与罐盖(14)连接的石英玻璃制成的螺旋搅拌器(2)和设置在罐体(5)内且一端与罐盖(14)连接的温度和PH值传感器(9)，罐体(5)底部与设置有开关阀(13)的发酵液出口管(15)的一端连通，发酵液出口管(15)的另一端穿出外围箱体(4)，罐盖(14)上设置有与罐体(5)连通的培养基入口管(8)，培养基入口管(8)位于罐体(5)外部的一端穿出外围箱体(4)且设置有第二无菌过滤器(702)，罐体(5)侧壁上设置有波长可调的全波长LED装置(1)，外围箱体(4)外壁设置有用于调节全波长LED装置(1)波长的总控制器(11)，通气玻璃管道(3)一端穿过罐盖(14)与罐体(5)连通，另一端穿出外围箱体(4)且设置有第一无菌过滤器(701)。
2.根据权利要求1所述的一种全波长可控光源的生物反应装置，其特征在于：所述的全波长LED装置(1)的波长范围为200-1000纳米，全波长LED装置(1)的波长调节的最小梯度为5-10纳米。
3.根据权利要求2所述的一种全波长可控光源的生物反应装置，其特征在于：所述的通气玻璃管道(3)与罐体(5)连通的一端延伸至罐体(5)底部。
4.根据权利要求3所述的一种全波长可控光源的生物反应装置，其特征在于：所述的通气玻璃管道(3)为二条。
5.根据权利要求1所述的一种全波长可控光源的生物反应装置，其特征在于：所述的罐体(5)上部设置有微量取样口(12)。
6.根据权利要求1所述的一种全波长可控光源的生物反应装置，其特征在于：所述的外围箱体(4)的底部内壁上设置有自动控温加热器(10)。
7.根据权利要求1所述的一种全波长可控光源的生物反应装置，其特征在于：所述的全波长LED装置(1)包括设置有LED的印制板，印制板设置有LED的一面与罐体(5)外围相适配。
8.根据权利要求7所述的一种全波长可控光源的生物反应装置，其特征在于：所述的印制板包括第一印制板和第二印制板，且设置在罐体(5)两侧。
9.根据权利要求8所述的一种全波长可控光源的生物反应装置，其特征在于：所述的第一印制板上的LED与第二印制板上的LED镜像对称分布，第一印制板和第二印制板镜像对应的LED波长错开分布。
10.根据权利要求8所述的一种全波长可控光源的生物反应装置，其特征在于：所述的第一印制板上的LED与第二印制板上的LED镜像对称分布，第一印制板上的LED按照波长递增依次排列，第二印制板上镜像对应的LED按照波长递减依次排列。
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