CN109055209A - 利用介质阻挡放电技术对微生物诱变育种的设备和方法 - Google Patents

Abstract

利用介质阻挡放电技术对微生物诱变育种的设备和方法,它涉及微生物诱变育种的设备和方法。本发明为解决现有技术无法提供常温常压等离子体技术大面积处理微生物诱变育种的设备和方法的问题。壳体内部设置有高压高频电源、气体流量调节装置、温度调节装置和反应舱；反应舱贴在壳体内表面进行固定，等离子体发生器设置在反应舱内；阳极外表面包裹着绝缘介质，阳极与阴极呈上下对应设置，培养皿遮挡在阳极与阴极之间；高压高频电源给等离子体发生器提供电压，温度调节装置的制冷/制热端连接反应舱以调节反应舱内的温度，气体流量调节装置的输出端连接反应舱以给等离子体发生器提供反应气体，并调节反应舱内的气压和气体流量。

Description

利用介质阻挡放电技术对微生物诱变育种的设备和方法

技术领域：

本发明属于微生物诱变育种设备和方法领域，特别涉及用大气压低温等离子体技术对微生物进行诱变育种的设备和方法。

背景技术：

微生物诱变育种的目的是人为使某些代谢产物过量积累，把生物合成的代谢途径朝人们所希望的方向加以引导,或者促使细胞内发生基因的重新组合优化遗传性状，获得所需要的高产、优质和低耗的菌种。

由于等离子体物理过程较为复杂，并具有非线性、强耦合、变负载等特点，在实际应用中需要采用一套完善的系统对其进行监测和控制，因而限制了该技术在微生物育种领域的应用推广。目前随着等离子体技术的应用领域的不断扩展，特别是常压低温等离子体的出现和技术进步，大大克服了常规等离子体需要真空装置的缺点，将大力推动其在微生物育种、消毒、化学反应、材料处理等领域的应用和发展。大气压条件下放电产生等离子体不需要真空设备，具有成本低、效率高、无毒无污染等特点，放电时产生的等离子体温度低，因此该技术具有广阔的微生物诱变育种应用前景。近年来一些研究者使用射流技术产生大气压低温等离子体，拟在研究放电产生机理并进行微生物诱变育种处理。然而，市面上已有的射流技术产生的等离子体作用面积小，且通常放电气体单一，无法大量高效处理微生物，不能满足工业化生产需求。

发明内容

本发明需要解决的问题是：现有技术无法提供一种采用常温常压等离子体技术大面积处理微生物诱变育种的设备和方法，进而提供了一种在大气压环境下，采用介质阻挡放电技术产生等离子体，根据所需要保留的微生物特性，调节等离子体放电参数，实现不同微生物的诱变育种功能。

本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是:所述的利用介质阻挡放电技术对微生物诱变育种的设备包括：壳体、高压高频电源、等离子体发生器、气体流量调节装置、温度调节装置和反应舱；

壳体内部设置有高压高频电源、气体流量调节装置、温度调节装置和反应舱；反应舱的一侧贴在壳体内表面的一侧进行固定，等离子体发生器设置在反应舱内，壳体内外表面之间设置有第二气体进出口，第二气体进出口外接气瓶,第二气体进出口内接气体流量调节装置的输入端；

等离子体发生器还包括绝缘介质、阳极和阴极，阳极外表面包裹着绝缘介质，阴极上表面上设置培养皿，阳极与阴极呈上下对应设置，培养皿遮挡在阳极与阴极之间；

高压高频电源的高压输出端连接阳极，接地端连接阴极，高压高频电源给等离子体发生器提供电压，温度调节装置的制冷/制热端连接反应舱以调节反应舱内的温度，气体流量调节装置的输出端连接反应舱以给等离子体发生器提供反应气体，并调节反应舱内的气压和气体流量。

本发明的有益效果是：采用介质阻挡放电技术加大对微生物进行诱变处理的面积，并且通过更换放电电极的大小以适应科研或者工业化生产对微生物处理量的需求；根据所需要保留的微生物特性，调节等离子体放电参数，实现不同微生物的诱变育种功能。

附图说明

图1为利用介质阻挡放电技术对微生物诱变育种的设备的控制关系示意图；

图2为利用介质阻挡放电技术对微生物诱变育种的设备的结构示意图；

图3为利用介质阻挡放电技术对微生物诱变育种的设备的放电电极结构示意图；

具体实施方式

具体实施方式一：如图1至图3所示，本实施方式利用介质阻挡放电技术对微生物诱变育种的设备包括：壳体1、高压高频电源3、等离子体发生器4、气体流量调节装置5、温度调节装置6和反应舱8；

壳体1内部设置有高压高频电源3、气体流量调节装置5、温度调节装置6和反应舱8；反应舱8的一侧贴在壳体1内表面的一侧进行固定，等离子体发生器4设置在反应舱8内，壳体1内外表面之间设置有第二气体进出口1-1，第二气体进出口1-1外接气瓶,第二气体进出口1-1内接气体流量调节装置5的输入端；

等离子体发生器4还包括绝缘介质4-1、阳极4-2和阴极4-3，阳极4-2外表面包裹着绝缘介质4-1，阴极4-3上表面上设置培养皿7，阳极4-2与阴极4-3呈上下对应设置，培养皿7遮挡在阳极4-2与阴极4-3之间；

高压高频电源3的高压输出端连接阳极4-2，接地端连接阴极4-3，高压高频电源3给等离子体发生器4提供电压，温度调节装置6的制冷/制热端连接反应舱8以调节反应舱8内的温度，气体流量调节装置5的输出端连接反应舱8以给等离子体发生器4提供反应气体，并调节反应舱8内的气压和气体流量；

采用介质阻挡放电产生等离子体，在阴、阳电极之间放置装有微生物培养液的培养皿，增加了等离子体作用的面积，同时可以更换阴、阳极的大小调节等离子体作用的面积,以适应科研或者工业化生产对微生物处理量的需求；

等离子体发生器4和温度调节装置6可以外接动力电源。

具体实施方式二：如图1所示，本实施方式的高压高频电源3还包括调压器3-1、电压表3-2、电流表3-3、示波器3-4、继电器3-7和主电源3-6，电压表3-2、电流表3-3和示波器3-4的信号输入端与主电源3-6信号输出端连接，主电源3-6与继电器3-7相连，继电器3-7与调压器3-1相连接；温度调节装置6还包括温度感应器6-1,温度感应器6-1设置在反应舱8内；气体流量调节装置5还包括气体流量调节阀5-1、电磁阀5-2、微压表5-4和气体流量计5-5，微压表5-4的波纹膜盒设置在反应舱8内,微压表5-4的表盘设置在壳体1外表面上，气体流量计5-5的输入端连接在电磁阀5-2的输出端上,气体流量调节阀5-1的气体输出端与电磁阀5-2的气体输入端相连接；

封闭的反应舱8与壳体1相连接的一侧上还开有舱门8-1，反应舱8内外表面之间还设置有第一气体进出口8-2,第一气体进出口8-2的输入端与气体流量调节装置5的输出端相连通；

调压器调节主电源的输出电压，电压表、电流表、示波器采集主电源的输出参数，调压器与主电源之间由继电器连接，继电器平时处于断开状态，由于调压器的输出电压与主电源输出电压有严格的线性关系，可以调节调压器到预设值，当继电器断开时主电源不输出电压，给等离子体发生器供电时控制模块会给继电器一个信号，继电器闭合，电路接通，主电源按预设值给电极输出电压；

通过舱门可将装有培养液的培养皿放在等离子体发生器上；

温度调节装置中的制冷/制热系统可调节反应舱内的温度；

其他组成及连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：如图1、2所示，本实施方式的等离子体发生器4还包括电极升降驱动装置14，电极升降驱动装置14与阳极4-2相连接以调节阳极4-2与阴极4-3之间的间隙，在壳体1外部设置有控制电极升降驱动装置14的电极位置调节按钮15；电极升降驱动装置14可以选用电机驱动的机械传动装置；

其他组成及连接方式与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：如图1所示，本实施方式还包括工控机2、第一控制模块3-5、第二控制模块6-3和第三控制模块5-6，工控机2设置在壳体1的内部，工控机2通过第一控制模块3-5与高压高频电源3的控制信号输入端连接，工控机2通过第三控制模块5-6与气体流量调节装置5的控制信号输入端连接,工控机2还通过第二控制模块6-3与温度调节装置6的控制信号输入端相连接；电压表3-2、电流表3-3、示波器3-4和气体流量计5-5分别设置在壳体1内，电压表3-2、电流表3-3和示波器3-4的信号输出端与工控机2的信号输入端相连接，温度感应器6-1的信号输出端与工控机2的信号输入端相连接，气体流量计5-5的信号输出端与工控机2的信号输入端相连接；工控机2中还设置有操作及监控系统软件；

本实施方式的工控机带有智能监控系统和安全保护系统软件，智能调节各参数实现不同微生物的诱变育种功能，同时还可以监控舱门开关以防止误操作从而保护操作人员安全，若检测到舱门未关闭，则控制程序拒绝接通主电源，拒绝等离子体发生器工作并提示；舱内还设置了位置传感器或者工控机采用视觉分析技术检测电极位置，若电极不在被允许的位置范围内，程序拒绝接通电源并提示，视觉分析系统还可监测培养皿的位置放置是否正确，为了避免引发机械损伤，驱动装置也拒绝驱动阳极运动并提示；

其他组成及连接方式与具体实施方式二或三相同。

具体实施方式五：如图1所示，本实施方式还包括触摸显示屏11,触摸显示屏11设置在壳体1的外表面上，触摸显示屏11的信号输入端与工控机2的显示信号输出端相连接,触摸显示屏11的触摸指令信号输出端与工控机2的指令信号输入端相连；

本实施方式的触摸显示屏上显示电压值、电流值、气体流量值、反应舱的温度、等离子体发生器对微生物作用时间等数据，通过触摸显示屏调节各项参数值，利用工控机来控制高压高频电源、气体流量调节装置、温度调节装置，电压表、电流表、示波器和气体流量计的传感器与温度感应器，将各数据反馈到工控机上，工控机再将数据发送到触摸显示屏上，形成智能调节系统；

其他组成及连接方式与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：如图3所示，所述的阳极4-2和阴极4-3之间的横截面积全部都覆盖在培养皿7上；

其他组成及连接方式与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：所述的培养皿7为石英材质，反应舱8为绝缘材料；

其他组成及连接方式与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：如图1所示，本实施方式还包括水平仪12，水平仪12设置在反应舱8内；

通过水平仪查看反应舱是否处于水平状态；

其他组成及连接方式与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：如图1所示，本实施方式还包括摄像头10和补光灯13，摄像头10和补光灯13设置在反应舱8内；

通过摄像头可以在触摸显示屏的显示页面观察阴极与阳极之间的间距，还可以观察培养液的反应情况；在观察反应舱内的情况时，通过补光灯调节反应舱的亮度，便于观察；

其他组成及连接方式与具体实施方式八相同。

具体实施方式十：本实施方式涉及微生物诱变育种的方法。

步骤一：诱变准备

将育种设备放平稳：观察反应舱8内水平仪12的水平气泡，垫平或调节地脚，使气泡位于中央；

设备启动前先接地，并检查确保接地牢靠；

接入工作气瓶，将气瓶上的减压阀调节至0.2～0.6MPa，气瓶中的气体是He、N₂或Ar，当反应气体为空气时，则不需要接入气瓶；如果等离子体发生器中反应的气体为空气，则不需要通过气瓶来注入空气，仅使用反应舱内现有的空气即可；

用95％医用酒精将设备反应舱8进行消毒，或者用随机附带的紫外灯进行灭菌处理，处理时间不少于5min；

将消毒后的培养皿7内放入待处理的微生物培养液；打开舱门8-1，将培养皿7放在阴极4-3上，关闭舱门8-1；若舱门8-1开关监测到舱门未关闭，工作程序将拒绝启动并报警提示；

步骤二：诱变过程

接通电源，启动设备，在触摸显示屏11的主页面上打开主电源开关；

预设工作参数，包括通气量、工作电压、诱变处理时间、放电间距和舱室温度，①舱室内达到预设通气量自动关闭电磁阀，切断气路，反应舱与外界隔绝，维持舱内气压环境；②诱变处理工作前，应在触摸显示屏11上预设工作电压或者通过调压器旋钮预设，本设备工作电压在0～20KV范围内可调；③预设诱变处理时间，时间调节范围在0～360s；④根据触摸显示屏11上“视觉系统”页面上的刻度，通过操作电极位置调节按钮15来控制电极升降驱动装置14调节阴极与阳极间的距离d使其不超过12mm，否则安全系统根据摄像头的反馈将拒绝启动诱变程序；⑤预设反应舱内诱变处理环境温度，预设温度低于实验室温度，则温度调节装置启动进行降温；预设值若高于室温，则控制系统默认为实验室温度，不执行温控程序；对于大多数菌株不宜超过37℃；

开始执行等离子体微生物诱变育种程序,工作过程中，可以通过舱门8-1或将触摸显示屏11切换至智能监控系统观察诱变处理情况；为了更清晰的观察工作情况，可以手动在触摸显示屏11的主页面或者智能监控系统页面上打开或者关闭补光灯13；

本设备有参数记忆功能，本次设置的参数会自动保存，再次使用时，若不需要改变处理参数，直接按“开始”键即可执行与本次相同的工作程序,也可以改变其中的一项或几项参数，其它不变,还可以一键恢复默认出厂设置，按“开始”键，执行推荐程序。

本设备还有自动记录功能，设备将完整的记录时间、参数、处理过程并生成日志，以供分析，可以在按下触摸显示屏11主页面上的“记录”按键后查看；

除微生物外，本设备亦可以对植物种子进行诱变处理。

步骤三：诱变结束

诱变处理完成后，电极自动升至零位，打开舱门8-1，移除培养皿7，清理物品，关闭气瓶阀门，关闭电源，关闭电源应在触摸显示屏11上按“关机”键，系统将自动执行关机程序，然后关闭设备的电源总开关；

其他组成及连接方式与具体实施方式九相同。

工作原理：本发明利用等离子体发生器直接作用在微生物上，加大对微生物的作用面积，并且通过更换放电电极的大小调节对微生物诱变的面积；本发明还利用高频高压电源为等离子体提供电压，温度调节装置调节反应舱内的温度，气体流量调节装置调节等离子体发生器反应的气体种类、气流量和气压，电极驱动装置调节电极间的距离；高频高压电源、温度调节装置、气体调节装置上的传感器或者感应器将各反应数据反馈到工控机上，工控机通过摄像头得到阴、阳极的间距，工控机将获得的各项数据传输到触摸显示屏上，为了得到微生物不同的诱变结果，调节触摸显示屏上显示的各项参数，再利用工控机通过控制模块控制高频高压电源和温度调节装置，利用气体流量调节阀的按钮调节气体流量，电极位置调节按钮调节阴、阳极之间的距离，最终得到定向的微生物诱变需求。

Claims (10)

1.一种利用介质阻挡放电技术对微生物诱变育种的设备，其特征在于：所述的利用介质阻挡放电技术对微生物诱变育种的设备包括：壳体(1)、高压高频电源(3)、等离子体发生器(4)、气体流量调节装置(5)、温度调节装置(6)和反应舱(8)；

壳体(1)内部设置有高压高频电源(3)、气体流量调节装置(5)、温度调节装置(6)和反应舱(8)；反应舱(8)的一侧贴在壳体(1)内表面的一侧进行固定，等离子体发生器(4)设置在反应舱(8)内，壳体(1)内外表面之间设置有第二气体进出口(1-1)，第二气体进出口(1-1)外接气瓶,第二气体进出口(1-1)内接气体流量调节装置(5)的输入端；

等离子体发生器(4)还包括绝缘介质(4-1)、阳极(4-2)和阴极(4-3)，阳极(4-2)外表面包裹着绝缘介质(4-1)，阴极(4-3)上表面上设置培养皿(7)，阳极(4-2)与阴极(4-3)呈上下对应设置，培养皿(7)遮挡在阳极(4-2)与阴极(4-3)之间；

高压高频电源(3)的高压输出端连接阳极(4-2)，接地端连接阴极(4-3)，高压高频电源(3)给等离子体发生器(4)提供电压，温度调节装置(6)的制冷/制热端连接反应舱(8)以调节反应舱(8)内的温度，气体流量调节装置(5)的输出端连接反应舱(8)以给等离子体发生器(4)提供反应气体，并调节反应舱(8)内的气压和气体流量。

2.根据权利要求1所述的一种利用介质阻挡放电技术对微生物诱变育种的设备，其特征在于：高压高频电源(3)还包括调压器(3-1)、电压表(3-2)、电流表(3-3)、示波器(3-4)、继电器(3-7)和主电源(3-6)，电压表(3-2)、电流表(3-3)和示波器(3-4)的信号输入端与主电源(3-6)信号输出端连接，主电源(3-6)与继电器(3-7)相连接，继电器(3-7)与调压器(3-1)相连接；温度调节装置(6)还包括温度感应器(6-1),温度感应器(6-1)设置在反应舱(8)内；气体流量调节装置(5)还包括气体流量调节阀(5-1)、电磁阀(5-2)、微压表(5-4)和气体流量计(5-5)，微压表(5-4)的波纹膜盒设置在反应舱(8)内,微压表(5-4)的表盘设置在壳体(1)外表面上，气体流量计(5-5)的输入端连接在电磁阀(5-2)的输出端上,气体流量调节阀(5-1)的气体输出端与电磁阀(5-2)的气体输入端相连接；

封闭的反应舱(8)与壳体(1)相连接的一侧上还开有舱门(8-1)，反应舱(8)内外表面之间还设置有第一气体进出口(8-2),第一气体进出口(8-2)的输入端与气体流量调节装置(5)的输出端相连通。

3.根据权利要求2所述的一种利用介质阻挡放电技术对微生物诱变育种的设备，其特征在于：等离子体发生器(4)还包括电极升降驱动装置(14)，电极升降驱动装置(14)与阳极(4-2)相连接以调节阳极(4-2)与阴极(4-3)之间的间隙，在壳体(1)外部设置有控制电极升降驱动装置(14)的电极位置调节按钮(15)。

4.根据权利要求2或3所述的一种利用介质阻挡放电技术对微生物诱变育种的设备，其特征在于：它还包括工控机(2)、第一控制模块(3-5)、第二控制模块(6-3)和第三控制模块(5-6)，工控机(2)设置在壳体(1)的内部，工控机(2)通过第一控制模块(3-5)与高压高频电源(3)的控制信号输入端连接，工控机(2)通过第三控制模块(5-6)与气体流量调节装置(5)的控制信号输入端连接,工控机(2)还通过第二控制模块(6-3)与温度调节装置(6)的控制信号输入端相连接；电压表(3-2)、电流表(3-3)、示波器(3-4)和气体流量计(5-5)分别设置在壳体(1)内，电压表(3-2)、电流表(3-3)和示波器(3-4)的信号输出端与工控机(2)的信号输入端相连接，温度感应器(6-1)的信号输出端与工控机(2)的信号输入端相连接，气体流量计(5-5)的信号输出端与工控机(2)的信号输入端相连接；工控机(2)中还设置有操作及监控系统软件。

5.根据权利要求4所述的一种利用介质阻挡放电技术对微生物诱变育种的设备，其特征在于：它还包括触摸显示屏(11),触摸显示屏(11)设置在壳体(1)的外表面上，触摸显示屏(11)的信号输入端与工控机(2)的显示信号输出端相连接，触摸显示屏(11)的触摸指令信号输出端与工控机(2)的指令信号输入端相连。

6.根据权利要求5所述的一种利用介质阻挡放电技术对微生物诱变育种的设备，其特征在于：所述的阳极(4-2)和阴极(4-3)之间横截面积全部都覆盖在培养皿(7)上。

7.根据权利要求6所述的一种利用介质阻挡放电技术对微生物诱变育种的设备，其特征在于：所述的培养皿(7)为石英材质，反应舱(8)为绝缘材料。

8.根据权利要求7所述的一种利用介质阻挡放电技术对微生物诱变育种的设备，其特征在于：它还包括水平仪(12)，水平仪(12)设置在反应舱(8)内。

9.根据权利要求8所述的一种利用介质阻挡放电技术对微生物诱变育种的设备，其特征在于：它还包括摄像头(10)和补光灯(13)，摄像头(10)和补光灯(13)设置在反应舱(8)内。

10.根据权利要求9所述的一种利用介质阻挡放电技术对微生物诱变育种的设备及方法，其特征在于：

步骤一：诱变准备

将育种设备放平稳：观察反应舱(8)内水平仪(12)的水平气泡，垫平或调节地脚，使气泡位于中央；

设备启动前先接地，并检查确保接地牢靠；

接入工作气瓶，将气瓶上的减压阀调节至0.2～0.6MPa，气瓶中的气体是He、N₂或Ar；当反应气体为空气时，则不需要接入气瓶；

用95％医用酒精将设备反应舱(8)进行消毒，或者用随机附带的紫外灯进行灭菌处理，处理时间不少于5min；

将消毒后的培养皿(7)内放入待处理的微生物培养液；打开舱门(8-1)，将培养皿(7)放在阴极(4-3)上，关闭舱门(8-1)；

步骤二：诱变过程

接通电源，启动设备，在触摸显示屏(11)的主页面上打开主电源开关；

预设工作参数，包括通气量、工作电压、诱变处理时间、放电间距和舱室温度，○1舱室内达到预设通气量自动关闭电磁阀(5-2)，切断气路，反应舱与外界隔绝，维持舱内气压环境；2○诱变处理工作前，应在触摸显示屏(11)上预设工作电压或者通过调压器旋钮预设，本设备工作电压在0～20KV范围内可调；3○预设诱变处理时间，时间调节范围在0～360s；○4根据触摸显示屏(11)上“视觉系统”页面上的刻度，通过操作电极位置调节按钮(15)来控制电极升降驱动装置(14)调节阴极与阳极间的距离d使其不超过12mm；5○预设反应舱内诱变处理环境温度；

开始执行等离子体微生物诱变育种程序,工作过程中，可以通过舱门(8-1)，或将触摸显示屏(11)切换至智能监控系统观察诱变处理情况；

步骤三：诱变结束

诱变处理完成后，电极自动升至零位，打开舱门(8-1)，移除培养皿(7)。