專利名稱：一種用于規(guī)?；囵B(yǎng)藥用植物的生物反應器系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種生物技術領域系統(tǒng)，具體為用于規(guī)?；囵B(yǎng)藥用植物不定根的生物反應器系統(tǒng)。
背景技術：
天然藥用植物在醫(yī)藥、輕工、化工、食品及農藥等方面起重要作用。我國作為世界上使用和出口藥用植物最多的國家，大部分植物中藥材的野生資源已經枯竭而靠栽培滿足需要。例如，曾在東北地區(qū)野生資源很豐富的刺五加，自上世紀90年代開始被過度采挖，野生資源幾乎耗盡。通常情況下，天然植株中目的次生產物含量過低，采用化學合成，存在工藝流程復雜、成本高、合成過程中形成同分異構體及造成環(huán)境污染等問題。為滿足需要，人們轉向藥用植物的大田栽培。但這種方式面臨著產品質量隨環(huán)境變化波動大、農殘和重金屬污染及與農爭糧爭地等諸多問題。此外，一些中藥材的特殊藥用部位決定了其大田栽培的高成本和低收入。例如一些木本植物的根部和皮部有藥用成分，多年栽培后一旦采收， 整個植株就不得不重新栽植。采用生物反應器進行植物細胞、組織培養(yǎng)具有具有工作體積大、單位體積生產能力高、物理和化學條件控制方便、隨時隨地規(guī)?；a等優(yōu)點，是解決中藥資源問題的一條重要途徑。目前韓國已經在高麗參不定根和毛狀根的發(fā)酵培養(yǎng)方面取得了突破性進展，成功進行了產業(yè)化，同時還以培養(yǎng)的高麗參不定根和毛狀根開發(fā)了系列保健品和化妝品。美國在青蒿的毛狀根培養(yǎng)方面也取得了進展，發(fā)現(xiàn)供氣中加入CO2可以防止培養(yǎng)毛狀根的枯死。 德國科學家利用培養(yǎng)印度獐牙菜的毛狀根成功生產苦杏苷。我國的生物反應器培養(yǎng)技術與國際水平相比差距很大，因大多數(shù)植物細胞、組織的生物反應器擴大化關鍵技術不過關，能真正實現(xiàn)產業(yè)化的植物為數(shù)很少，藥用植物的生物反應器規(guī)?；a則更少。目前用于藥用植物組織、細胞和器官懸浮培養(yǎng)的反應器主要有攪拌式、氣升式、鼓泡式等。攪拌式生物反應器操作范圍大，供氧能力強，混合效果好，但攪拌過程中產生的剪切力對植物離體組織造成損傷。鼓泡式反應器雖然剪切力小，但不利于物質的混合和氣體傳遞。氣升式反應器具有結構簡單、剪切力小、傳質效果好、成本低的特點，是目前經常采用的反應器類型。在氣升式反應器中，氣體分布狀況的好與不好直接關系到藥用植物細胞、組織的生長、形態(tài)、氧和培養(yǎng)物的吸收和代謝，由此直接影響到最終產物的產率。因此在反應器應用時需尤其注重氣體分布器的設計。目前培養(yǎng)罐中使用的氣體分布器有單孔管、由管子繞成的氣體分布環(huán)及燒結板式氣體分布器。單孔管結構簡單，易于滅菌，但存在氣體分布不均的問題；應用氣體分布環(huán)雖然氣體分布效果好，但結構復雜，容易產生滅菌不徹底的問題(周國忠等， CN 101696388A)。燒結式分布器以其良好的氣體分布效果而被深入研究并得到應用，如 Wu (Bioprocess Eng, 1992,8 :185-187)在谷氨酸發(fā)酵中用孔徑40-50 μ m的燒結板作為分布器，使氣升式反應器的傳質能力大為提高。郝建欣等(過程工程學報，2002，2 :443-447) 采用孔徑80 μ m玻砂氣體分布器的氣升式光反應器培養(yǎng)鹽藻生長快、周期短，可同時獲得較高的細胞密度和胡蘿卜素含量。在大規(guī)模培養(yǎng)藥用植物時，盡量減小氣泡直徑，增大氣液傳質面積，是成功培養(yǎng)的要素之一。但目前的燒結板式氣體分布器孔徑仍然過大，迫切需要應該新的技術及材料加以改進。本發(fā)明針對我國藥用植物規(guī)?；a現(xiàn)狀，提供一套用于規(guī)?；囵B(yǎng)藥用植物細胞、組織的生物反應器系統(tǒng)，該系統(tǒng)的不銹鋼顆粒氣體分布器合噴射的氣泡大小及對培養(yǎng)材料產生的剪切力適中，適合植物的生長和其中的藥用活性物質的累積。采用本套系統(tǒng)可在模仿天然生培養(yǎng)條件下，生產藥用植物，除可使體系內藥用活性物質大量累積之外，還可通過調節(jié)供氧量，人為形成一種高氧脅迫環(huán)境，使培養(yǎng)材料內抗氧化物質大量提高，增加藥用植物的藥用價值。本套系統(tǒng)為藥用植物擴大化培養(yǎng)提供了有效方案，適合規(guī)?；a。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的為提供一套用于規(guī)?；囵B(yǎng)藥用植物細胞、組織的生物反應器系統(tǒng)。本發(fā)明所提供的生物反應器系統(tǒng)包括一套空氣制備系統(tǒng)O)；—套蒸汽制備系統(tǒng)(1)；一套蒸餾水制備系統(tǒng)(6)； —臺補料罐(5)；—臺植物培養(yǎng)種子罐(3)；兩臺植物培養(yǎng)罐；管路連接系統(tǒng)；電腦控制系統(tǒng)。所述反應器系統(tǒng)中空氣制備系統(tǒng)包括空氣壓縮機，冷凍式干燥機，儲氣罐。提供整個系統(tǒng)運行的所需氣體。所述反應器系統(tǒng)中蒸汽制備系統(tǒng)為電熱蒸汽發(fā)生器。供補料罐、種子罐、培養(yǎng)罐在位滅菌所需。所述反應器系統(tǒng)中蒸餾水制備系統(tǒng)包括水過濾設備，一臺蒸餾水制備機。提供整個系統(tǒng)運行所需的水源。所述反應器系統(tǒng)主體之一種子罐，徑高比為1.5 1，罐體具放料閥、視鏡、照明燈、pH、D0和溫度、液位接口、接種口、補料口等。帶備用頂蓋具有機械攪拌、切割功能，滿足無污染、快速切割，切口平滑不撕裂口。
所述反應器系統(tǒng)主體之一培養(yǎng)罐，徑高比為1.5 1，罐體具放料閥、視鏡、照明燈、pH、 DO和溫度、液位接口、接種口、補料口等。具有入口，保證長期運行后的徹底清洗。
所述反應器系統(tǒng)管路連接系統(tǒng)口徑為30 35mm，保證培養(yǎng)植物細胞、組織的通過需要。所述反應器系統(tǒng)為減少污染，系統(tǒng)所用閥門均為進口球閥。所述反應器系統(tǒng)主體通氣方式為底部通氣，罐底部安裝氣體分布器(10)，采用 404不銹鋼粉末微顆粒壓制而成，出氣孔徑達0. 3-0. 5 μ m，具有承重性好、耐熱、耐酸堿等特性。該氣體分布器系統(tǒng)主要有數(shù)個小的分布器組成，每個小分布器的直徑為30cm，相互間隔1.0cm，厚度根據(jù)容器所受壓力確定(IO-SOcm)。使氣體密布于培養(yǎng)液，在增大氣液傳質面積的同時，盡力減少氣升過程對培養(yǎng)組織的剪切力。該分布器可與罐體分離，方便拆卸清洗。所述反應器系統(tǒng)用于規(guī)模化藥用植物細胞和組織、器官等，如人參、龍牙橡木等五加科植物。


圖1為本發(fā)明實施例的結構示意圖；圖2為本發(fā)明實施例中氣體分布器的示意圖。
具體實施例方式
實施例1整個系統(tǒng)組成
如圖1所示，本發(fā)明所提供的生物反應器系統(tǒng)包括一套空氣制備系統(tǒng)O)；—套蒸汽制備系統(tǒng)(1)；一套蒸餾水制備系統(tǒng)(6)； —臺補料罐(5)；—臺植物培養(yǎng)種子罐(3)；兩臺植物培養(yǎng)罐(4)；管路連接系統(tǒng)；電腦控制系統(tǒng)。系統(tǒng)主體為種子罐和培養(yǎng)罐，內含氣體分布器(9，10)，采用404不銹鋼粉末微顆粒壓制而成，出氣孔徑達0. 3-0. 5 μ m，具有承重性好、耐熱、耐酸堿等特性。該氣體分布器系統(tǒng)主要有數(shù)個小的分布器組成，每個小分布器的直徑為30cm，相互間隔1. 0cm，厚度根據(jù)容器所受壓力確定(IO-SOcm)。使氣體密布于培養(yǎng)液，在增大氣液傳質面積的同時，盡力減少氣升過程對培養(yǎng)組織的剪切力。該分布器可與罐體(7，8)分離，方便拆卸清洗。
實施例2植物反應器系統(tǒng)培養(yǎng)人參不定根一套空氣制備系統(tǒng)O)；—套蒸汽制備系統(tǒng)(1)；一套蒸餾水制備系統(tǒng)(6)； — 臺700L補料罐(5)； —臺70L種子罐(3)；兩臺700L植物培養(yǎng)罐(4)；管路連接系統(tǒng)；電腦控制系統(tǒng)?？諝庵苽湎到y(tǒng)(2)與種子罐及培養(yǎng)罐相連，提供培養(yǎng)過程中的空氣。蒸汽制備系統(tǒng)(1)與補料罐、種子罐和培養(yǎng)罐相連，供其在位滅菌。種子罐及培養(yǎng)罐均安裝含不銹鋼顆粒制成的氣體分布器(10)。70L種子罐的氣體分布器出氣孔徑0. 3 0. 5 μ m，每個小氣體分布器的直徑為30cm，相互間隔1. 0cm，厚度為12cm ；700L植物培養(yǎng)罐的分布器出氣孔徑0. 3 0. 5 μ m，每個小氣體分布器的直徑為 30cm，相互間隔1. 0cm，厚度為20cm。整個系統(tǒng)用于培養(yǎng)人參不定根，培養(yǎng)基為改良SH培養(yǎng)基，種子罐培養(yǎng)周期為3-4 周，利用切割系統(tǒng)將不定根切至lcm，然后接入培養(yǎng)罐，培養(yǎng)周期為6周。不定根產量以鮮重計為52. 1 士 2. 7kg ；60度烘干48h后質量為4. 8 士0. 2kg。
實施例3植物反應器系統(tǒng)培養(yǎng)龍牙橡木細胞一套空氣制備系統(tǒng)O)；—套蒸汽制備系統(tǒng)(1)；一套蒸餾水制備系統(tǒng)(6)； —臺 700L補料罐(5)； —臺70L種子罐(3)；兩臺700L植物培養(yǎng)罐，管路連接系統(tǒng)；電腦控制系統(tǒng)。空氣制備系統(tǒng)O)與種子罐及培養(yǎng)罐相連，提供培養(yǎng)過程中的空氣。蒸汽制備系統(tǒng)(1)與補料罐、種子罐和培養(yǎng)罐相連，供其在位滅菌。種子罐及培養(yǎng)罐均安裝合金顆粒制作的氣體分布器(10)。整個系統(tǒng)用于培養(yǎng)龍牙橡木懸浮細胞，培養(yǎng)基為改良MS培養(yǎng)基，種子罐培養(yǎng)周期為2周，然后接入培養(yǎng)罐，培養(yǎng)周期為3周。細胞產量以鮮重計為4. 5士0. 2kgo
權利要求
1.一套用于規(guī)模化培養(yǎng)藥用植物的生物反應器系統(tǒng)，包括一套空氣制備系統(tǒng)；一套蒸餾水制備系統(tǒng)；一臺電熱蒸汽發(fā)生器；一臺補料罐；一臺植物培養(yǎng)種子罐；兩臺植物培養(yǎng)罐；管路連接系統(tǒng)；電腦控制系統(tǒng)。
2.根據(jù)權利要求1所述生物反應器系統(tǒng)，其特征是空氣制備系統(tǒng)由空氣壓縮機，冷凍式干燥機，儲氣罐組成。
3.根據(jù)權利要求2所述生物反應器系統(tǒng)，其特征是蒸餾水制備系統(tǒng)由水過濾設備，一臺蒸餾水制備機，一臺蒸餾水罐組成。
4.根據(jù)權利要求3所述生物反應器系統(tǒng)，其特征是植物培養(yǎng)種子罐、植物培養(yǎng)罐包含氣體分布器。
5.根據(jù)權利要求4所述生物反應器系統(tǒng)，其特征是氣體分布器系統(tǒng)由404不銹鋼粉末微顆粒壓制而成，具有承重性好、耐熱、耐酸堿等特性。該分布器系統(tǒng)由多個小的氣體分布器組成，每個小氣體分布器的出氣孔徑0. 3 0. 5 μ m，直徑為30cm，相互間隔1. 0cm，厚度根據(jù)容器所受壓力確定(IO-SOcm)。該分布器系統(tǒng)可與罐體分離，同時每個小分布器也可拆卸，方便清洗。
6.根據(jù)權利要求5所述生物反應器系統(tǒng)，其特征是管路連接系統(tǒng)孔徑30 35mm，所用閥門為進口球閥(Swagelock Valve)。
7.權利要求1-6所述任一生物反應器系統(tǒng)在規(guī)?；a藥用植物細胞、組織、器官中應用，具體培養(yǎng)材料可為人參(不定根)、龍牙橡木等藥用植物。
全文摘要
本發(fā)明針對我國藥用植物規(guī)?；a現(xiàn)狀，提供一套用于規(guī)?；囵B(yǎng)藥用植物細胞、組織、器官的生物反應器系統(tǒng)，包含一套空氣制備系統(tǒng)；一套蒸汽制備系統(tǒng)；一套蒸餾水制備系統(tǒng)；一臺補料罐；一臺植物培養(yǎng)種子罐；兩臺植物培養(yǎng)罐；管路連接系統(tǒng)及電腦控制系統(tǒng)。反應器系統(tǒng)中種子罐和培養(yǎng)罐含不銹鋼顆粒制成的氣體分布器，該氣體分布器合噴射的氣泡大小及對培養(yǎng)材料產生的剪切力適中，適合植物的生長和其中的藥用活性物質的累積。采用本套系統(tǒng)可在模仿天然生培養(yǎng)條件下，生產藥用植物，除可使體系內藥用活性物質大量累積之外，還可通過調節(jié)供氧量，人為形成一種高氧脅迫環(huán)境，使培養(yǎng)材料內抗氧化物質大量提高，增加藥用植物的藥用價值。本套系統(tǒng)為藥用植物擴大化培養(yǎng)提供了有效方案，適合規(guī)?；a。
文檔編號C12M1/36GK102408991SQ20111022127
公開日2012年4月11日 申請日期2011年7月28日 優(yōu)先權日2011年7月28日
發(fā)明者劉憲紅, 吳昊, 李玉花, 楊洪巖, 王志軍, 由香玲, 章翼, 聶玉哲, 賈洪柏 申請人:東北林業(yè)大學, 李玉花