CN1051575C - 植物的营养液雾化培养反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种植物的营养液雾化培养反应器，其特征是营养液经超声波或压力喷头雾化，弥漫至整个反应器。整个系统采用培养箱、雾化器和贮罐一体化的结构，雾的扩散不是通过通气，搅拌实现的，而是在内筒产生并由螺旋桨带动形成循环流动、充满反应器。组织块放在多层的不锈钢网上，浸于气雾中，固定培养，间歇喷雾，在停雾期间通气。螺旋桨的转动用罐外的电磁驱动器来驱动。本发明具有易于放大到工艺化规模的特点。

Description

植物的营养液雾化培养反应器

本发明涉及植物组织细胞及完整植物培养，尤其涉及植物的营养液雾化培养反应器。

在植物培养这一领域中，尤其是在组织培养方面，至今未有十分适用的设备和装置(本交底书统称为生物反应器)。而培养基质也只是采用液体或加有琼脂的固体培养基两种形式。

当前普遍采用的培养方法是：在小培养瓶内，用浅层的液体培养基浸没组织块或将组织块在固体培养基上固定培养。将小培养瓶置于恒温培养室内，适当控制好光照条件。

设计适合于植物组织培养的新型生物反应器，是这一技术走向工业化的关键环节，许多研究人员在这方面做了大量的工作。曾有报道，将搅拌式或气升式反应器用于植物组织比如胚状体的培养上。此外，一些研究者根据植物组织、细胞培养的特点，设计了各式各样均新型反应器，例如转鼓式反应器，悬杆搅拌式反应器。

八十年代末，Weathers和Giles报道了用营养液雾化培养植物组织的实验结果，指出这是一种有前途的新方法。他们当时使用的是机械喷雾，装置结果见图1。随后，Weathers及其合作者又使用超声波雾化装置培养了多种植物组织，取得了很好的结果，系统构成见图2。进入九十年代，日本与韩国的研究人员也做了这方面的工作，他们的思路及系统的构成与Weathero等人的基本相同，见图3，和图4。

现有技术中存在的许多问题，限制了植物组织培养向工业化、规模化方向的发展，大部分工作停留在瓶瓶罐罐的简单而繁琐的劳动的水平上。

传统的小培养瓶培养方式，人力消耗大，操作繁琐。在培养过程中，瓶与瓶之间条件不容易统一控制，因而材料的同步性较差。如果使用固体培养基，琼脂的添加增加了培养的成本，而且在固体培养基上，植物组织的生长，繁殖速度较慢；营养物质利用率低；而使用液体培养基，由于只能浅层培养，中间需要多次换液或补充新鲜营养液，增加了工作的繁琐程度并且瓶盖的多次开启，扩大了染菌的机会。

在生物反应器的研制和应用方面，许多研究者根据植物组织，细胞培养的特点，或是直接应用传统的气升式或搅拌式发酵罐；或是对传统设备加以改进；或是设计新型的生物反应器，它们的共同点是：液体培养基浸没组织块，而后通过搅拌或通气使体系均匀，并使供气充分。这种浸没方式带来下面几个问题：

1.液体浸没不是大多数植物的正常生长环境，长期浸没会产生玻璃化作用，这是影响液体培养效果的极为严重的一个问题。

2.液体培养过程中，供气效果差，溶氧低。而植物组织块体积大，比表面积相对于单细胞要小得多，因此内扩散传递阻力大，这就更加突出了液体培养供气效果较差的问题。另外，组织块的存在，使体系的流动效果较差，加大了氧气在气、液、固三相间的传递难度，降低了供气的效率。

3、由于需要不停地搅拌或通气。一方面，有较大的剪切力，对组织、细胞有破坏作用；另一方面，组织块始终处于不固定状态，消除了其生长、发育的方向性，而实验表明：植物生长、发育有一定的极性效应，固定状态更有利。

Weathers等提出的雾化培养方法，为植物组织培养提供了一条新的途径，并显示出良好的发展前景。但Weathers和其他研究者的着眼点还是荡在植物组织在雾化培养条件下的生理字研究上，他们的培养系统只是试验性质的，在实际应用和放大方面还存在许多问题：

1、雾化装置、培养箱和营养液贮罐分离，之间以管道相连。这种多管路、多联接，往往会增加染菌的机会，而且在灭菌过程中容易产生死角。

2、营养雾用无菌空气带入培养箱，随着尾气的排出，会有大量被雾化的营养液被带走，造成浪费，而且处理不当会造成环境污染。

3、为处理尾气中的营养雾，需要安装适当的分离设备、装置，增加了系统的复杂程度。

以上这些问题，随着反应器的放大将更加突出。

本发明针对现有技术中存在的这些问题，提出了一条新的思路和一套全新的设计。其目的是：①使组织培养用新型生物反应器来进行，实现大规模，降低劳动强度，简化控制条件。②实现固定化培养，维持植物生长、发育的极性效应。③解决培养过程中的玻璃化问题和供气问题，消除机械损伤作用。④简化培养系统的结构，减少染菌机会，降低设备放大的难度，使之更加实用。⑤充分利用植物组织，细胞生长的特点和反应器自身结构上的特点，简化操作，节省能源，减少营养物质的浪费并提高培养的效果。

本发明具体的解决方案为：

1、一种植物的营养液雾化培养反应器。其特征在于：该反应器包括：玻璃罐体1、不锈钢丝网2、组织块3、内筒4、螺旋桨5、电磁驱动器6、顶盖7、带夹套的不锈钢底槽8、雾化换能片9、高频振荡电路10、时间控制器11、过滤器12、日光灯13、其中，电磁驱动器6设置在顶盖7的中央；电磁驱动器6的驱动部置于罐外，从动部密封在罐内，从动轴上加有螺旋桨；顶盖7设置在玻璃罐体1上；玻璃罐体1内放置多层不锈钢网2，植物组织块3置于网上，玻璃罐体1设置在不锈钢底槽8上，不锈钢底槽8和玻璃罐体1之间以法兰联结，中央内筒4设置在玻璃罐体1内，不锈钢底槽8底部，其轴与螺旋浆和底部的换能片在一条直线上，不锈钢底槽8的中央，有一圆孔，雾化换能片9从罐外被固定在此孔上，并严格密封；不锈钢底槽8带有夹套；高频振荡电路10与雾化换能片9相连接，时间控制器11与高频振荡电路相连接，过滤器12与底槽8的进气口相连接，日光灯13设置在玻璃罐体1外。

本发明的基本思路和方法是：(将营养液1或称液体培养基)雾化，雾化的手段是使用超声波雾化器或机械压力喷头喷雾，通过雾的扩散、沉降，使营养物质弥漫至整个培养装置。该发明具有以下优点：

①由于雾化，使营养物质可以在气相中传播，其流动效果优于液体，因而更容易达到均匀。

②组织块浸没在气雾中，营养供给和换气都很充分，解决了液体培养供气较难的问题，并消除了玻璃化现象。

③温度可以通过控制进气温度和营养雾的温度来进行调节，而雾的温度控制可通过调节营养液的温度来实现。

④雾化反应器内较高的湿度，对一些脱毒菌的培养有壮菌作用。

2、培养系统采用雾化器、培养箱和贮罐一体化的结构。罐体内有一细径的不锈钢或玻璃质的内筒，其下底高于液面，正对罐底的换能片，上口低于罐顶，正对螺旋桨。营养雾在筒内产生并由螺旋桨带动，在罐内形成循环，充满整个装置。螺旋桨由罐顶的电磁驱动器带动，并且转速可调，我们将整个装置称为内筒循环雾化反应器，详细结构见图5，其优点是；

①一体化结构简单，联接少，降低了染菌的可能性，并使放大容易实现，放大后的体系更容易达到均匀，在这方面远远优于固定床和液体培养反应器。

②由于雾的悬浮效果好，易扩散、传播，所以可用小功率的电磁驱动器驱动螺旋桨，带动雾循环；而且通气也只需要小流量，因此能耗低。

③螺旋桨用罐体外的电磁驱动器驱动，无缝隙，密封效果好，不易染菌。

④反应器装有内筒，一方面，由于其直径很小，占用体积小；另一方面，它的存在使罐体内雾的流动有序化，气流雾流平缓，分布均匀。而且在较低的罐体内可以不用螺旋桨带动，就能使雾借助自身的速度冲出内筒上口，达到不加内筒时雾化高度的2-3倍。

3、采用间歇喷雾

4、反应器内放置多层不锈钢网，植物组织置于网上。固定状态保证了植物生长、发育的极性效应，而多层结构则提高了单位体积的生产能力。

本发明的效果：

一系列的试验表明，雾化反应器有利于植物组织、细胞的培养和培养的大规模化。

营养雾在培养装置内可迅速扩散，很快达到均匀，即使有多层网和培养后期高密度的组织块或组培菌存在，对雾的扩散影响也不是很大。

植物组织的生长状况明显优于固体培养基，并与液体线层培养下的组织生长状况相近，甚至更好，(一般说，液体浅层培养优于固体培养基)。长期培养无玻璃化现象发生，而且有去玻璃化作用，在这一点上优于液体培养。培养20天以上无污染。

喷雾终断后，雾会迅速消散——附着于组织表面或反应器的其他部位，从而恢复反应器内的透明度，保证了充足的光照。

反应器在内筒直径，雾化器功率及其它条件不变的情况下，仅把培养体积由1.5升放大到20升，雾的分散效果依然很好。利用这种易放大的优点并通过计算，可将该种反应器放大到工艺化规模。

图1为机械喷雾装置。

图2为超声波雾化装置系统构成图。

图3为韩国现有超声波雾化培养系统。

图4为日本现有超声波雾化培养系统。

图5为本发明罐体结构示意图。

下面结合附图对本发明作进一步说明。一种植物的营养液雾化培养反应器，其特征在于：该反应器包括玻璃罐体1、不锈钢丝网2、组织块3、内筒4、螺旋桨5、电磁驱动器6、顶盖7、带夹套的不锈钢底槽8、雾化换能片9、高频振荡电路10、时间控制器11、过滤器12、日光灯13、其中，电磁驱动器6设置在顶盖7的中央；电磁驱动器6的驱动部置于罐外，从动部密封在罐内，从动轴上加有螺旋桨；顶盖7设置在玻璃罐体1上；玻璃罐体1内放置多层不锈钢网2，植物组织块3置于网上，玻璃罐体1设置在不锈钢底槽8上，不锈钢底槽8和玻璃罐体1之间以法兰联结，中央内筒4设置在玻璃罐体1内，不锈钢底槽8底部，其轴与螺旋浆和底部的换能片在一条直线上，不锈钢底槽8的中央，有一圆孔，雾化换能片9从罐外。被固定在此孔上，并严格密封；不锈钢底槽8带有夹套；高频振荡电路10与雾化换能片9相连接，时间控制器11与高频振荡电路相连接，过滤器12与底槽8的进气口相连接，日光灯13设置在玻璃罐体1外。

Claims (1)

1.一种植物的营养液雾化培养反应器，其特征在于：该反应器包括：玻璃罐体(1)、不锈钢丝网(2)、内筒(4)、螺旋浆(5)、电磁驱动器(6)、顶盖(7)、带夹套的不锈钢底槽(8)、雾化换能片(9)、高频震荡电路(10)、时间控制器(11)、过滤器(12)、日光灯(13)、其中，电磁驱动器(6)设置在顶盖(7)的中央；电磁驱动器(6)的驱动部置于罐外，从动部密封在罐内，从动轴上加有螺旋浆(5)；顶盖(7)设置在玻璃罐体(1)上，玻璃罐体(1)内放置多层不锈钢丝网(2)；玻璃罐体(1)放置在不锈钢底槽(8)上，不锈钢底槽(8)和玻璃罐体(1)之间以法兰联结；内筒(4)设置在玻璃罐体(1)内，支撑于不锈钢底槽(8)底部，并与所述底部保持一定距离，其空间位置处于螺旋浆(5)和雾化换能片(9)之间，其轴与螺旋桨和底部的雾化换能片的轴在一条直线上；不锈钢底槽(8)的中央有一圆孔，雾化换能片(9)从罐外，被固定在此孔上，并严格密封；不锈钢底槽(8)带有夹套；高频震荡电路(10)与雾化换能片(9)相连接，时间控制器(11)与高频震荡电路(10)相连接，过滤器(12)与不锈钢底槽(8)的进气口相连接，日光灯(13)设置在玻璃罐体(1)外。

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