CN1303200C - 植物组织切割器外置型光生物反应器培养系统 - Google Patents

植物组织切割器外置型光生物反应器培养系统 Download PDF

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Abstract

一种植物组织切割器外置型光生物反应器培养系统，包括：输液系统，气体输送系统，光照系统，生物反应器培养系统，数据接收处理器，在线光敏监测器，三通装置，切割系统，第一空气过滤器，真空/压力两用泵。输液系统通过硅胶管与生物反应器培养系统连接；气体输送系统通过硅胶管与生物反应器培养系统相连；光照系统固定在生物反应器培养系统外围；在线光敏监测器安装在光生物反应器培养系统一侧，将信号传送至数据接收处理器；三通装置的三端通过硅胶管分别连接生物反应器培养系统的两个接口和切割系统的接口；真空/压力两用泵、第一空气过滤器、切割系统由硅胶管首尾顺次连接。本发明大大降低了离线切割的污染率，提高了工作效率。

Description

植物组织切割器外置型光生物反应器培养系统
技术领域
本发明涉及一种培养系统，具体是一种植物组织切割器外置型光生物反应器培养系统。用于植物组织工程领域。
背景技术
光生物反应器的研究始于20世纪40年代微藻的大规模培养，80年代以后得到迅速发展，迄今为止已研制出种类繁多的光生物反应器，并且可在光生物反应器中插入pH值电极、溶解氧电极、温度电极、细胞密度电极、粘度电极等，将上述传感器获得的信号可进一步转换，实现光生物反应器的程序化自动记录和控制。用于培养的陆地植物和大型海藻细胞或组织主要是愈伤组织、微繁殖体或是配子体细胞等形式，其共同特点是具有很强的生长、扩增能力，切割后可继续生长，并且，培养过程中个体不断长大，必须通过定期切割打碎才能维持其未分化状态。对于目前植物组织的光生物反应器培养的研究，培养过程中当培养的组织和细胞生长到一定体积并开始影响其生长时，因目前的设计都没有在线切割装置，如需切割打碎则要完全离线操作，影响实验进程，给实验操作带来不便，因此，在原有的设计在硬件上不能满足需要的前提下，在线切割连续长期光生物反应器培养装置系统可进一步实现光生物反应器的程序化自动记录和控制。
经对现有技术文献的检索发现，Yao-ming Huang等人在《BiotechnologyProgress》2002，18：62-71上发表的″Dynamics of oxygen evolution and biomassproduction during cultivation of Agardhiella subulata microplantlrts in abubble-column photobioreactor under medium perfusion″(利用气升式光生物反应器培养拜式新亚藻微繁殖体进行氧传递动力学和生物量的研究，《生物技术进展》)一文中，提出Agardhiella subulata微繁殖体适宜悬浮培养的大小为3-10mm，微繁殖体培养过程中必须定期切割打碎，为了维持微繁殖体的高生长速率，培养过程中当微繁殖体生长超过10mm时，重新切割至3-5mm适宜大小再继续培养；同时该文提出的Agardhiella subulata微繁殖体的光生物反应器培养系统由输气系统、光照系统和反应器主体三部分组成。其不足之处是：该系统只能为微繁殖体提供阶段性培养，不能实现连续长期光生物反应器的培养，另外，该系统对微繁殖体只能进行离线切割，这种离线切割方式大大增加了培养过程的微生物污染率和繁琐的切割工作，给实验带来不便；当应用于大规模培养时，离线切割则成为限制步骤，严重影响实验的顺利进行。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种植物组织切割器外置型光生物反应器培养系统，使其实现植物细胞和组织培养过程中的在线切割，保证培养过程中培养物的生长代谢状态维持在优化点，同时大大降低了离线切割的污染率。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：输液系统，气体输送系统，光照系统，生物反应器培养系统，数据接收处理器，在线光敏监测器，三通装置，切割系统，第一空气过滤器，真空/压力两用泵。其连接方式为：输液系统通过硅胶管与生物反应器培养系统连接；气体输送系统通过硅胶管与生物反应器培养系统相连；光照系统固定在生物反应器培养系统外围；在线光敏监测器安装在光生物反应器培养系统一侧，将信号传送至数据接收处理器；三通装置的三端通过硅胶管分别连接生物反应器培养系统的两个接口和切割系统的接口；真空/压力两用泵、第一空气过滤器、切割系统由硅胶管首尾顺次连接。
输液系统由储液罐和输液泵组成。储液罐由硅胶管经输液泵与生物反应器培养系统连接，储液罐中的新鲜培养液经输液泵流入生物反应器培养系统内。
气体输送系统由气泵，第二空气过滤器，气体流量计，气体增湿装置组成。气体增湿装置主体是圆柱型半球顶玻璃容器，其顶部整合有气体入口和气体出口，气体入口伸入至距容器底部约1/6处；气泵、第二空气过滤器、气体流量计和气体增湿装置的气体入口间由硅胶管首尾顺次连接；气体增湿装置的气体出口与生物反应器培养系统连接。
生物反应器培养系统由气体分布器，搅拌装置，溶氧电极，pH电极，取样管，出气口，第三空气过滤器，进液口，出液口，第一过滤筛绢，切割回液口，第一取液口，第二过滤筛绢和第二取液口组成。气体分布器是由不锈钢材料制成的中空管，由通气管和气体分布管组成，通气管由生物反应器培养系统顶端插入至生物反应器培养系统底部位置，气体分布器底部为气体分布管，呈圆弧形，分布在生物反应器培养系统圆形底面的外周，上面整合有圆形出气孔，通气管和气体分布管连接处为通气管接点；搅拌装置由搅拌杆和搅拌桨组成，搅拌杆由生物反应器培养系统顶部中央位置伸入生物反应器培养系统内部距底部1/3～1/4处，搅拌杆底部整合有搅拌桨；取样管伸入生物反应器培养系统内部距底部约1/2处左右；溶氧电极和pH电极伸入生物反应器培养系统的液面下；出气口处用硅胶管连接第三空气过滤器；出液口和第一取液口处分别有双层800目的第一过滤筛绢和第二过滤筛绢。
输液系统将新鲜培养液由进液口输入至生物反应器培养系统，为保持恒定体积，生物反应器培养系统内过量的培养液由出液口处自动流出，出液口处有第一过滤筛绢；气体输送系统通过硅胶管与气体分布器相连，气体分布器由生物反应器培养系统顶端插入至生物反应器培养系统底部位置，为其培养提供充足的气体，剩余气体及废气经出气口排出；第一取液口和第二取液口通过硅胶管分别与三通装置的第一取液接口和第二取液接口相连，第一取液口处有第二过滤筛绢；切割回液口通过硅胶管与切割系统连接；溶氧电极和pH电极由生物反应器培养系统顶端伸入生物反应器培养系统内部。
三通装置一端呈U形，一端为一字形，由高硼硅玻璃材料制成。U端的2个端口为：U端第一取液接口和U端第二取液接口分别通过硅胶管与生物反应器培养系统的第一取液口和第二取液口相连，并在硅胶管连接处安装有第一止水夹和第二止水夹；一字端为切割进液口，通过硅胶管与切割系统相连。
生物反应器培养系统处于培养阶段时，第一止水夹和第二止水夹全部关闭，培养液不能进入切割系统；需要切割时，打开没有筛绢的第二取液口处的第二止水夹，培养液培养物同时进入切割系统；切割结束需要冲洗切割系统时，打开安装有第二过滤筛绢的第一取液口处的第一止水夹，培养液进入切割系统，培养物则截留在生物反应器培养系统内。
切割系统由切割罐，切割器，切割参数设定面板，切割进液接口，切割出液口和正负压通气口组成。其连接方式为：切割参数设定面板位于切割罐的底部，切割罐与切割参数设定面板之间可以拆卸，便于清洗消毒；切割器呈十字刀形，两端向上倾斜立起，位于切割参数设定面板与切割罐相接一面的中央位置，可自由拆卸，切割器运转的转数和切割时间由切割参数设定面板根据实验要求预先设定；切割罐顶端设有正负压通气口，通过硅胶管与第一空气过滤器和真空/压力两用泵相连，当需要控制切割罐进液时，打开真空/压力两用泵的真空开关，培养液通过三通装置，经切割罐上部位置的切割进液接口被吸入至切割罐内，反之，当将切割液回流至生物反应器培养系统内时，则打开真空/压力两用泵的压力开关，切割液经切割罐下部的切割出液口被压入至生物反应器培养系统内。
本发明工作时，储液罐中的新鲜培养液经输液泵流入生物反应器培养系统内，以维持生物反应器系统的长期连续培养，为保持生物反应器培养系统的培养体积的恒定，过量的培养液由出液口处自动流出，气泵提供的气体经第二空气过滤器过滤除菌，气体增湿装置增湿后，由气体分布器在生物反应器培养系统底部为其培养提供充足的气体，剩余的气体及废气由出气口排出，出气口处连接第三空气过滤器，以保证反应器内无菌状态，光照系统为生物反应器培养系统提供必须的光强，生物反应器培养系统进入培养阶段，在线光敏监测器通过光敏信号确定目的培养物的大小，连续、在线监测目的培养物大小和浓度，并将信号反馈至数据接收处理器，当数据接收处理器显示目的培养物的大小达到设定大小参数，同时数量达到设定比例数时，出现提示切割信号，此时，打开三通装置的第二止水夹，开启真空/压力两用泵的真空开关，生物反应器培养系统内的培养物和培养液共同进入切割罐中，达到切割罐设定体积后，先关闭真空开关，再关闭第二止水夹，通过切割参数设定面板按照要求设定切割器运转的转数和切割时间，开启切割开关，切割开始；切割结束后，开启真空/压力两用泵的压力开关，切割液通过压力作用由切割出液口、硅胶管、切割回液口回流至生物反应器培养系统中，关闭真空/压力两用泵的压力开关；然后，打开三通装置的第一止水夹，开启真空/压力两用泵的真空开关，生物反应器培养系统内的培养液进入切割罐中，培养物则被第一取液口处的第二过滤筛绢截留在生物反应器培养系统内，当进入切割罐的培养液体积达到设定体积时，先关闭真空开关，再关闭第一止水夹，通过切割参数设定面板设定冲洗参数，开启切割开关，冲洗切割罐，冲洗结束后，开启真空/压力两用泵的压力开关，切割液通过压力作用由切割出液口、硅胶管、切割回液口回流至生物反应器培养系统，关闭真空/压力两用泵的压力开关，此操作重复2-3次，切割过程结束，生物反应器培养系统进入培养阶段。
本发明系统为密闭系统，降低了微生物的污染，同时解决了植物细胞和组织培养过程中因目的培养物个体过大而给实验带来的实际问题，保证了培养过程中培养物的生长代谢状态维持在优化点，实现了植物组织在线切割连续长期光生物反应器培养，为规模化培养提供可能的途径。
与现有技术相比，本发明将切割器与光生物反应器配合使用，实现了植物细胞和组织培养过程中的在线切割，大大降低了离线切割的污染率，提高了工作效率，保证了培养过程中目的培养物的品质及其生长代谢状态维持在优化点；本发明中的切割器具有独立的切割参数设定面板，可操作性强，可根据不同的目的培养物设定不同的切割参数；由在线光敏监测器检测目的培养物大小取代传统的目测方法，提高了实验的科学性、准确性；广泛适用于不同类型的光生物反应器，切割器易于拆卸清洗，便于独立操作，整个系统的两大系统(生物反应器培养系统和切割系统)既各自独立又彼此联系，避免了切割过程中与光生物反应器其他培养参数(如通气、搅拌等)的交叉影响，提高了实验单一参数研究的准确性。
附图说明
图1为本发明结构示意图
图2为本发明输液系统结构示意图
图3为本发明气体输送系统结构示意图
图4为本发明生物反应器培养系统结构示意图
图5为本发明气体分布器结构正视图
图6为本发明气体分布器结构俯视图
图7为本发明三通装置结构示意图
图8为本发明切割系统结构示意图
图中，l.输液系统  2.气体输送系统  3.光照系统  4.生物反应器培养系统  5.数据接收处理器  6.在线光敏监测器  7.三通装置  8.切割系统  9.第一空气过滤器  10.真空/压力两用泵  11.储液罐  12.输液泵  13.气泵  14.第二空气过滤器  15.气体流量计  16.气体增湿装置  17.气体入口  18.气体出口  19.进液口  20.气体分布器  2l.溶氧电极  22.pH电极  23.搅拌装置24.切割回液口  25.取样管  26.出气口  27.第三空气过滤器  28.出液口29.第一过滤筛绢  30.第一取液口  31.第二过滤筛绢  32.第二取液口  33.搅拌杆  34.搅拌桨  35.通气管  36.气体分布管  37.通气管接点  38.出气孔  39.第一取液接口  40.第二取液接口  41.第一止水夹  42.第二止水夹43.切割进液口  44.切割进液接口  45.正负压通气口  46.切割罐  47.切割出液口  48.切割器  49.切割参数设定面板
具体实施方式
如图1-8所示，本发明包括：输液系统1，气体输送系统2，光照系统3，生物反应器培养系统4，数据接收处理器5，在线光敏监测器6，三通装置7，切割系统8，第一空气过滤器9，真空/压力两用泵10。其连接方式为：输液系统1通过硅胶管与生物反应器培养系统4连接；气体输送系统2通过硅胶管与生物反应器培养系统4连接；光照系统3固定在生物反应器培养系统4外围；在线光敏监测器6安装在光生物反应器培养系统4一侧，将信号传送至数据接收处理器5；三通装置7的三端通过硅胶管分别连接生物反应器培养系统4的两个接口和切割系统8的接口；真空/压力两用泵10、第一空气过滤器9、切割系统8由硅胶管首尾顺次连接。
输液系统1由储液罐11和输液泵12组成。储液罐11由硅胶管经输液泵12与生物反应器培养系统4连接，储液罐11中的新鲜培养液经输液泵12流入生物反应器培养系统4内。
气体输送系统2由气泵13，第二空气过滤器14，气体流量计15，气体增湿装置16组成。气体增湿装置16的顶部整合有气体入口17和气体出口18，气体入口17伸入至距容器底部约1/6处；气泵13、第二空气过滤器14、气体流量计15和气体增湿装置16的气体入口17之间由硅胶管首尾顺次连接；气体增湿装置16的气体出口18与生物反应器培养系统4连接。
生物反应器培养系统4由进液口19，气体分布器20，溶氧电极21，pH电极22，搅拌装置23，切割回液口24，取样管25，出气口26，第三空气过滤器27，出液口28，第一过滤筛绢29，第一取液口30，第二过滤筛绢31和第二取液口32组成。气体分布器20是由不锈钢材料制成的中空管，由通气管35和气体分布管36组成，通气管35由生物反应器培养系统4顶端插入至生物反应器培养系统4底部位置，气体分布器20底部为气体分布管36，呈圆弧形，分布在生物反应器培养系统4圆形底面的外周，上面整合有圆形出气孔38，通气管35和气体分布管36连接处为通气管接点37；搅拌装置23由搅拌杆33和搅拌桨34组成，搅拌杆33由生物反应器培养系统4顶部中央位置伸入生物反应器培养系统4内部距底部1/3～1/4处，搅拌杆33底部整合有搅拌桨34；取样管25伸入生物反应器培养系统4内部距底部约1/2处；溶氧电极21和pH电极22伸入生物反应器培养系统4的液面下；出气口26处用硅胶管连接第三空气过滤器27；输液系统1将新鲜培养液由进液口19输入至生物反应器培养系统4，生物反应器培养系统4内过量的培养液由出液口28处自动流出，出液口28和第一取液口30处分别有双层800目的第一过滤筛绢29和第二过滤筛绢31，第一取液口30和第二取液口32通过硅胶管与三通装置7相连；切割回液口24通过硅胶管与切割系统8连接。
三通装置7一端呈U形，一端为一字形，由高硼硅玻璃材料制成。U端的2个端口为：U端第一取液接口39和U端第二取液接口40分别通过硅胶管与生物反应器培养系统4的第一取液口30和第二取液口32相连，并在硅胶管连接处安装有第一止水夹41和第二止水夹42；一字端为切割进液口43，通过硅胶管与切割系统8相连。
切割系统8由切割罐46，切割器48，切割参数设定面板49，切割进液接口44，切割出液口47和正负压通气口45组成。其连接方式为：切割参数设定面板49位于切割罐46的底部，切割罐46与切割参数设定面板49之间可以拆卸，切割器48呈十字刀形，两端向上倾斜立起，位于切割参数设定面板49与切割罐46相接一面的中央位置，切割罐46顶端设有正负压通气口45，通过硅胶管与第一空气过滤器9和真空/压力两用泵10相连。

Claims (7)

1、一种植物组织切割器外置型光生物反应器培养系统，包括：输液系统(1)、气体输送系统(2)、光照系统(3)、生物反应器培养系统(4)，其特征在于，还包括：数据接收处理器(5)、在线光敏监测器(6)、三通装置(7)、切割系统(8)、第一空气过滤器(9)，真空/压力两用泵(10)，其连接方式为：输液系统(1)通过硅胶管与生物反应器培养系统(4)连接，气体输送系统(2)通过硅胶管与生物反应器培养系统(4)连接，光照系统(3)固定在生物反应器培养系统(4)外围，在线光敏监测器(6)设在光生物反应器培养系统(4)一侧，与数据接收处理器(5)连接，三通装置(7)的三端通过硅胶管分别连接生物反应器培养系统(4)的两个接口和切割系统(8)的一个接口，真空/压力两用泵(10)、第一空气过滤器(9)、切割系统(8)由硅胶管首尾顺次连接；
三通装置(7)一端呈U形，一端为一字形，U端的两个端口为：U端第一取液接口(39)和U端第二取液接口(40)分别通过硅胶管与生物反应器培养系统(4)的第一取液口(30)和第二取液口(32)相连，并在硅胶管连接处设有第一止水夹(41)和第二止水夹(42)，一字端为切割进液口(43)，通过硅胶管与切割系统(8)相连。
2、根据权利要求1所述的植物组织切割器外置型光生物反应器培养系统，其特征是，输液系统(1)由储液罐(11)和输液泵(12)组成，储液罐(11)由硅胶管经输液泵(12)与生物反应器培养系统(4)连接。
3、根据权利要求1所述的植物组织切割器外置型光生物反应器培养系统，其特征是，气体输送系统(2)由气泵(13)、第二空气过滤器(14)、气体流量计(15)、气体增湿装置(16)组成，气体增湿装置(16)的顶部整合有气体入口(17)和气体出口(18)，气体入口(17)伸入至距容器底部1/6处，气泵(13)、第二空气过滤器(14)、气体流量计(15)和气体入口(17)之间由硅胶管首尾顺次连接，气体增湿装置(16)的气体出口(18)与生物反应器培养系统(4)连接。
4、根据权利要求1所述的植物组织切割器外置型光生物反应器培养系统，其特征是，生物反应器培养系统(4)由进液口(19)、气体分布器(20)、溶氧电极(21)、pH电极(22)、搅拌装置(23)、切割回液口(24)、取样管(25)，出气口(26)、第三空气过滤器(27)、出液口(28)、第一过滤筛绢(29)，第一取液口(30)、第二过滤筛绢(31)和第二取液口(32)组成，气体分布器(20)分布在生物反应器培养系统(4)圆形底面的外周，搅拌装置(23)由搅拌杆(33)和搅拌桨(34)组成，搅拌杆(33)由生物反应器培养系统(4)顶部中央位置伸入生物反应器培养系统(4)内部距底部1/3～1/4处，搅拌杆(33)底部整合有搅拌桨(34)，取样管(25)伸入生物反应器培养系统(4)内部距底部1/2处，溶氧电极(21)和pH电极(22)伸入生物反应器培养系统(4)的液面下，出气口(26)处用硅胶管连接第三空气过滤器(27)，输液系统(1)将新鲜培养液由进液口(19)输入至生物反应器培养系统(4)，生物反应器培养系统(4)内过量的培养液由出液口(28)处自动流出，出液口(28)和第一取液口(30)处分别有第一过滤筛绢(29)和第二过滤筛绢(31)，第一、第二取液口(30、32)通过硅胶管与三通装置(7)相连，切割回液口(24)通过硅胶管与切割系统(8)连接。
5、根据权利要求4所述的植物组织切割器外置型光生物反应器培养系统，其特征是，气体分布器(20)是由不锈钢材料制成的中空管，由通气管(35)和气体分布管(36)组成，通气管(35)与气体增湿装置(16)的气体出口(18)相连，由生物反应器培养系统(4)顶端插入至生物反应器培养系统(4)底部位置，气体分布器(20)底部为气体分布管(36)，呈圆弧形，分布在生物反应器培养系统(4)圆形底面的外周，上面整合有圆形出气孔(38)，通气管(35)和气体分布管(36)连接处为通气管接点(37)。
6、根据权利要求1所述的植物组织切割器外置型光生物反应器培养系统，其特征是，切割系统(8)由切割罐(46)，切割器(48)，切割参数设定面板(49)，切割进液接口(44)，切割出液口(47)和正负压通气口(45)组成，切割参数设定面板(49)位于切割罐(44)的底部，切割器(48)位于切割参数设定面板(49)与切割罐(46)相接一面的中央位置，切割罐(46)顶端设有正负压通气口(45)，通过硅胶管与第一空气过滤器(9)和真空/压力两用泵(10)相连。
7、根据权利要求6所述的植物组织切割器外置型光生物反应器培养系统，其特征是，切割器(48)呈十字刀形，两端向上倾斜立起，切割罐(44)与切割参数设定面板(47)之间能拆卸。
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