CN1696275A - 植物在线自动营养源供给光生物反应器培养系统 - Google Patents

Abstract

一种用于生物技术领域的植物在线自动营养源供给光生物反应器培养系统，本发明包括：氮源浓缩液罐、磷源浓缩液罐、辅助添加剂浓缩液罐、氮源泵、磷源泵、辅助添加剂泵、基础培养液罐、控制器、基础培养液泵、细胞浓度探头、pH探头、光生物反应器、流出液罐，氮源浓缩液罐、磷源浓缩液罐、辅助添加剂浓缩液罐、氮源泵、磷源泵、辅助添加剂泵、基础培养液罐、基础培养液泵、流出液罐通过硅胶管依次相连，氮源泵、磷源泵、辅助添加剂泵通过数据线与控制器相连，细胞浓度探头、pH探头设在光生物反应器内。本发明使各营养源比例精确调控，实现植物细胞生长实时在线监测、自动调节营养源供给的要求。

Description

植物在线自动营养源供给光生物反应器培养系统

技术领域

本发明涉及一种用于生物技术领域的反应器培养系统，具体是一种植物在线自动营养源供给光生物反应器培养系统。

背景技术

生物反应器在植物细胞大规模培养中一直扮演着重要的角色，二十世纪90年代国外开始尝试通过优化生物反应器的方法来控制细胞生长并获取生物活性物质，迄今为止该研究仍处于探索阶段。以往有关植物细胞培养反应器研究工作主要是从化工角度进行，没有能够把生物反应器装置的研制工作与植物细胞作为一个活体的特性真正结合起来开展工作。植物细胞是一个复杂的体系，细胞内部存在多种正反馈和负反馈调控机制，在培养过程中具有遗传和生理不稳定性。深入研究培养过程中植物细胞的特性，努力从生命和细胞的总体和本质角度去思考和进行反应器研制，将有可能在反应器研制工作中取得根本性突破。秉承这样的思想理念，反应器最终应成为一个可近乎完全模拟细胞在体生活环境的理想状态类‘生物体’。活体细胞或组织的一个重要特性即能根据环境变化进行反馈调节，因此根据细胞浓度及生存环境变化的信息反馈调节营养源的供给将最大化优化细胞或组织生长。目前应用于植物细胞或组织在线自动营养源供给的光生物反应器尚不存在。

经过现有技术文献检索发现，Rorrer GL等人在《J Nat Prod》2003 Jun；66(6)：743-751.上发表的“Isolation of halogenated monoterpenes frombioreactor-cultured microplantlets of the macrophytic red algae Ochtodessecundiramea and Portieria hornemannii.”(“从生物反应器培养的大型海藻细胞提取卤化单萜”，《自然科学进展》)一文中，提出了一种培养大型海藻细胞的光生物反应器系统，该系统由罐体、光照系统、灌注系统、鼓气装置、取样装置等组成。该系统的不足之处在于不能连续监测反应器中的营养源浓度变化，而是在细胞生长和产物形成过程中不断地将部分条件培养液取出，根据所测营养物浓度继续灌注新的培养液。尽管该操作可使细胞处于稳定的营养环境中，有害代谢废物浓度积累较低，但不能克服营养源吸收和细胞增殖不同步的矛盾，所测量的数据不能实时反映反应器内营养源浓度的变化，也就无法实现营养源的自动供给。根据实验数据进行灌注速率及体积的调整往往比较滞后。同时也无法做到各种不同营养源比例的精确调控，即不能使细胞或组织处于最佳的生存环境。此外污染几率高及规模放大过程中的工程问题也不可避免。因此该系统仅能用于实验室小规模培养，具有很大的局限性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种植物在线自动营养源供给光生物反应器培养系统，使其做到各营养源比例精确调控，采用独特设计的在线自动营养源供给灌注搅拌式光生物反应器培养陆地与海洋植物细胞和组织，实现了植物细胞生长实时在线监测、自动调节营养源供给的要求。

本发明是通过以下技术方案来实现的，本发明包括：氮源浓缩液罐、磷源浓缩液罐、辅助添加剂浓缩液罐、氮源泵、磷源泵、辅助添加剂泵、基础培养液罐、控制器、基础培养液泵、细胞浓度探头、pH探头、光生物反应器、流出液罐，氮源浓缩液罐、磷源浓缩液罐、辅助添加剂浓缩液罐、氮源泵、磷源泵、辅助添加剂泵、基础培养液罐、基础培养液泵、流出液罐通过硅胶管依次相连，氮源泵、磷源泵、辅助添加剂泵通过数据线与控制器相连，细胞浓度探头、pH探头设在光生物反应器内。

所述的细胞浓度探头、pH探头通过数据线与控制器相连。

所述的细胞浓度探头、pH探头实时不间断的将细胞浓度及pH变化的数据传输到控制器。

所述的控制器将上传的细胞浓度及pH数据转化为向氮源泵、磷源泵、辅助添加剂泵所发放的相应指令。

所述的氮源泵、磷源泵、辅助添加剂泵依据控制器发放的指令或开放或关闭。

所述的控制器，将细胞浓度值转换成所需营养源的比例及添加速度。

所述的细胞浓度探头，在其内的可见光区直接读出周围培养液中的细胞浓度。

本发明工作时，当一组监测开始氮源浓缩液罐、磷源浓缩液罐、辅助添加剂浓缩液罐、氮源泵、磷源泵、辅助添加剂泵处于或开放或关闭状态。基础培养液罐、基础培养液泵处于工作状态供给植物细胞或组织生长所需营养源，在细胞生长过程中细胞浓度探头、pH探头感知的信号不断传递到数据采集系统，从而实现细胞浓度和pH连续检测。当一组检测完成之后，控制器根据预先设定的程序对上传的信号进行‘判断’并反馈启动相应的营养源泵进行相应的营养源供给操作。细胞浓度探头及营养源供给控制器，此装置主要用于连续分析培养液中细胞浓度变化数据，并根据变化及时作出相应营养源供给的再调整，主要是氮源和磷源的供应，细胞浓度探头的工作原理如下：含细胞的培养液进入探头后，在分光光度计的可见光区可直接读出细胞浓度，细胞浓度值直接上传至控制器，控制器依据程序将细胞浓度值转换成所需营养源的比例及添加速度，随后向各营养源泵发出指令，从而完成营养源的最佳供给满足细胞生长的需要。

在系统控制面板上输入气体流量，光照强度等初始参数，经调试后系统即进入自动工作状态。基础培养液以恒定的速度灌注入光生物反应器内，此外气体供给，搅拌速度及光照强度按照系统要求做出自动调节，以达到或接近系统最佳工作状态。当细胞浓度探头感知光生物反应器内细胞浓度超过预设阈值时，数据上传到营养源泵控制器，该控制器根据整合后的信息向氮源泵、磷源泵、辅助添加剂泵发出相应指令，暂停某些营养源的供给；反之，细胞浓度探头感知反应器内细胞浓度低于预设阈值时，控制器即向营养源泵发出运行的指令，所需营养源开始以一定比例一定速度灌注入基础培养液罐，以维持植物细胞生长的最佳营养物主要为氮、磷浓度，保证细胞生长能够获得充足的营养源。通常情况下，每隔30秒细胞浓度探头即可向控制器输送一次细胞浓度变化的数据，做到了实时监测适时调节，有效避免了营养源添加的提前性与滞后性。在整个培养过程中，细胞浓度监测及营养源供给是实时，在线，连续，自动，灵敏的过程，从营养源供给层面真正实现了陆地与海洋植物细胞组织在线连续搅拌式光生物反应器培养。

本发明更加连续化，自动化，将细胞浓度及pH的变化与营养源供给整合到一个系统中，克服了营养源供给超前及滞后细胞生长需要的限制，实现了真正意义的实时在线自动营养源供给。本发明通过细胞浓度探头和pH探头获得的数据准确可靠，所检测到的数据可以直接指导控制器通过改变营养源供给的比例或速率来提高细胞的产量和活性，非常适合大规模工业化培养陆地与海洋植物细胞和组织的要求，可大大提高整个生产过程中的自动化水平。本发明的重要意义在于，实践了通过实时在线监测细胞浓度变化来自动调控营养源供给的反应器设计理念，为科研及工业大规模自动化生产提供了简便可行的操作系统。所用反应器参数可精确控制营养源供给的比例和速度，使细胞浓度维持在理想水平，为下游分离纯化质量均一产品提供高质量细胞，同时极大减少了细胞污染几率并节约了生产成本。

附图说明

图1为本发明结构示意图

具体实施方式

如图1所示，本发明包括：氮源浓缩液罐1、磷源浓缩液罐2、辅助添加剂浓缩液罐3、氮源泵4、磷源泵5、辅助添加剂泵6、基础培养液罐7、控制器8、基础培养液泵9、细胞浓度探头10、pH探头11、光生物反应器12、流出液罐13，氮源浓缩液罐1、磷源浓缩液罐2、辅助添加剂浓缩液罐3、氮源泵4、磷源泵5、辅助添加剂泵6、基础培养液罐7、基础培养液泵9、流出液罐13通过硅胶管依次相连，氮源泵4、磷源泵5、辅助添加剂泵6通过数据线与控制器8相连，细胞浓度探头10、pH探头11设在光生物反应器13内。

所述的细胞浓度探头10、pH探头11通过数据线与控制器8相连。

所述的细胞浓度探头10、pH探头11实时不间断的将细胞浓度及pH变化的数据传输到控制器8。

所述的控制器8将上传的细胞浓度及pH数据转化为向氮源泵4、磷源泵5、其他辅助添加剂泵6所发放的相应指令。

所述的氮源泵4、磷源泵5、辅助添加剂泵6依据控制器8发放的指令或开放或关闭。

所述的控制器8，是将细胞浓度值转换成所需营养源的比例及添加速度。

所述的细胞浓度探头10，在其内的可见光区直接读出周围培养液中的细胞浓度。

Claims (7)

1、一种植物在线自动营养源供给光生物反应器培养系统，包括：氮源浓缩液罐(1)、磷源浓缩液罐(2)、辅助添加剂浓缩液罐(3)、基础培养液罐(7)、基础培养液泵(9)、光生物反应器(12)，其特征在于，还包括：氮源泵(4)、磷源泵(5)、辅助添加剂泵(6)、控制器(8)、细胞浓度探头(10)、pH探头(11)、光生物反应器(13)，氮源浓缩液罐(1)、磷源浓缩液罐(2)、辅助添加剂浓缩液罐(3)、氮源泵(4)、磷源泵(5)、辅助添加剂泵(6)、基础培养液罐(7)、基础培养液泵(9)、流出液罐(13)通过硅胶管依次相连，氮源泵(4)、磷源泵(5)、辅助添加剂泵(6)通过数据线与控制器(8)相连，细胞浓度探头(10)、pH探头(11)设在光生物反应器(13)内。

2、根据权利要求1所述的植物在线自动营养源供给光生物反应器培养系统，其特征是，所述的细胞浓度探头(10)、pH探头(11)通过数据线与控制器(8)相连。

3、根据权利要求1所述的植物在线自动营养源供给光生物反应器培养系统，其特征是，所述的细胞浓度探头(10)、pH探头(11)实时不间断的将细胞浓度及pH变化的数据传输到控制器(8)。

4、根据权利要求1或2或3所述的植物在线自动营养源供给光生物反应器培养系统，其特征是，所述的控制器(8)将上传的细胞浓度及pH数据转化为向氮源泵(4)、磷源泵(5)、辅助添加剂泵(6)所发放的相应指令。

5、根据权利要求1或2或3所述的植物在线自动营养源供给光生物反应器培养系统，其特征是，依据所述的控制器(8)，氮源泵(4)、磷源泵(5)、辅助添加剂泵(6)发放的指令或开放或关闭。

6、根据权利要求1或2或3所述的植物在线自动营养源供给光生物反应器培养系统，其特征是，所述的控制器(8)，是将细胞浓度值转换成所需营养源的比例及添加速度。

7、根据权利要求1或2或3所述的植物在线自动营养源供给光生物反应器培养系统，其特征是，所述的细胞浓度探头10，在其内的可见光区直接读出周围培养液中的细胞浓度。

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