專利名稱：一種植物組織培養(yǎng)用鼓泡式生物反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過組織培養(yǎng)技術(shù)進(jìn)行植物再生的微生物學(xué)裝置，具體的說，是涉及一種植物細(xì)胞、組織和器官的培養(yǎng)用鼓泡式生物反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
我國是世界上藥用植物資源最豐富的國家之一，隨著植物藥的大量使用，藥用植物的采挖和使用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了植物的生長速度，藥用植物資源日趨枯竭。傳統(tǒng)的藥用植物大田栽培一方面受“天時地利”的影響，產(chǎn)量質(zhì)量波動大，另一方面農(nóng)藥殘留污染問題嚴(yán)重。植物細(xì)胞、組織和器官的生物反應(yīng)器培養(yǎng)具有生長迅速，易于控制的特點(diǎn)，因而可以逐漸取代大田栽培滿足市場的需要。生物反應(yīng)器是用于大規(guī)模培養(yǎng)微生物、植物和動物細(xì)胞的反應(yīng)器，目前培養(yǎng)植物細(xì)胞、組織和器官的生物反應(yīng)器已經(jīng)到了工業(yè)化大生產(chǎn)的階段。例如，用氣升式生物反應(yīng)器培養(yǎng)長春花細(xì)胞生產(chǎn)蛇根堿[A. H. kragg et al. ,Enzyme Microb Technol, 1987,9 619]； 韓國S. H. Son等人對紅豆杉細(xì)胞進(jìn)行反應(yīng)器大規(guī)模培養(yǎng)，采用從IOOL到500L的氣升式反應(yīng)器[S. H. Son et al. ,Plant Cell Reports (2000) 19 :628-633]；幾年后，Kee-Yoeup Paek 采用球形鼓泡式反應(yīng)器對人參不定根進(jìn)行大規(guī)模培養(yǎng)獲得具有很強(qiáng)藥理活性的人參皂苷 [Kee-Yoeup Paek et al. ,Adv Biochem Engin/Biotechnol U009) 113 :151-176]，獲得了較高生長量的人參不定根等。目前用于藥用植物細(xì)胞、組織和器官懸浮培養(yǎng)的反應(yīng)器主要有攪拌式、氣升式、鼓泡式等。從上個世紀(jì)80年代開始，植物細(xì)胞、組織和器官的培養(yǎng)用反應(yīng)器就已經(jīng)由攪拌式向氣升式和鼓泡式過渡。由于植物細(xì)胞具有體積較大，細(xì)胞壁較脆以及具有大的液泡等特點(diǎn)，植物細(xì)胞對剪切力很敏感，其敏感性由細(xì)胞的種類、狀態(tài)、切變力耐受性、剪切速率及反應(yīng)器本身的結(jié)構(gòu)等多種因素決定。針對這一特點(diǎn)，解決的途徑通常是從細(xì)胞系本身出發(fā)，篩選抗剪切力的高產(chǎn)系或通過細(xì)胞工程和基因工程手段對現(xiàn)有細(xì)胞系進(jìn)行改造，建立抗剪切力的株系；在此基礎(chǔ)上改造反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，使其具有緩和的流場及良好的混合性能。攪拌式生物反應(yīng)器操作范圍大，供氧能力強(qiáng)，混合效果好，但攪拌過程中產(chǎn)生的剪切力較大，容易對植物離體組織造成損傷，且能耗較大。相對而言，氣升式反應(yīng)器和鼓泡式反應(yīng)器剪切力較小，目前國內(nèi)外普遍認(rèn)為鼓泡式反應(yīng)器是一類適用面廣的生物反應(yīng)器，這類反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是氣泡沿液相上升，在與液相接觸進(jìn)行反應(yīng)的同時攪動液體以提高傳質(zhì)速率。傳統(tǒng)的鼓泡式反應(yīng)器返混嚴(yán)重，氣泡易產(chǎn)生聚并，并且泡沫會夾帶一些CO2揮發(fā)性物質(zhì)，對植物細(xì)胞的生長產(chǎn)生不良影響，且效率較低，盡管可通過加入消泡劑削弱這種影響，但是加入消泡劑會對植物細(xì)胞、組織和器官的生長以及次生代謝產(chǎn)物的積累產(chǎn)生不良影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的是現(xiàn)有鼓泡式生物反應(yīng)器的圓柱形結(jié)構(gòu)剪切力較大和產(chǎn)生氣泡較多的技術(shù)問題，提供一種近球形的鼓泡式生物反應(yīng)器。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的裝置通過以下的技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)一種植物組織培養(yǎng)用鼓泡式生物反應(yīng)器，包括生物反應(yīng)器主體，所述生物反應(yīng)器主體包括通過法蘭上下連接的球冠體結(jié)構(gòu)和圓錐體結(jié)構(gòu)；所述球冠體結(jié)構(gòu)側(cè)壁設(shè)置有上視鏡，所述球冠體結(jié)構(gòu)頂部連接有頂蓋，所述頂蓋內(nèi)表面安裝有燈鏡，所述頂蓋上設(shè)置有接種口、補(bǔ)料口、排氣冷卻器接口、消泡電極接口、溫度電極接口、PH電極接接口和溶氧電極接口 ；所述圓錐體結(jié)構(gòu)側(cè)壁設(shè)置有下視鏡，所述圓錐體結(jié)構(gòu)外部安裝有連接于蒸汽發(fā)生器的控溫夾套，所述圓錐體結(jié)構(gòu)底部內(nèi)設(shè)置有環(huán)形氣體分布器，所述環(huán)形氣體分布器連接有設(shè)置于所述圓錐體結(jié)構(gòu)外部的空氣進(jìn)口，所述圓錐體結(jié)構(gòu)底端連接有出料取樣閥；所述空氣進(jìn)口通過轉(zhuǎn)子流量計連接有空氣濾罐，所述空氣濾罐與空氣壓縮機(jī)連接。所述圓錐體結(jié)構(gòu)的錐體角度在40° 150°范圍內(nèi)。所述圓錐體結(jié)構(gòu)的錐體角度在60° 100°范圍內(nèi)。所述生物反應(yīng)器主體的高徑比為0. 38 2. 8，所述高徑比為所述頂蓋到所述圓錐體結(jié)構(gòu)底部的高度與所述生物反應(yīng)器主體最大直徑之間的比值。所述圓錐體結(jié)構(gòu)與所述控溫夾套之間安裝有螺旋形散熱板。所述空氣濾罐上設(shè)置有第一壓力表。所述空氣進(jìn)口與所述轉(zhuǎn)子流量計之間設(shè)置有第二壓力表。本發(fā)明的有益效果是(一 )本發(fā)明的生物反應(yīng)器主體結(jié)構(gòu)為近球形結(jié)構(gòu)，在培養(yǎng)植物細(xì)胞、組織和器官的過程中，反應(yīng)器上部的空間直徑較大，克服了圓柱形氣升式生物反應(yīng)器和鼓泡式生物反應(yīng)器容易產(chǎn)生氣泡的缺點(diǎn)，從而避免了植物細(xì)胞受到氣泡中的揮發(fā)性物質(zhì)二氧化碳之類氣體的影響。(二)本發(fā)明中位于反應(yīng)器主體結(jié)構(gòu)和夾套之間的螺旋形散熱板，呈螺旋狀結(jié)構(gòu)均勻地分布于反應(yīng)器主體外周，有利于熱的傳導(dǎo)，具有良好的散熱作用，保證反應(yīng)器內(nèi)部培養(yǎng)基的溫度，為植物細(xì)胞的培養(yǎng)提供一個更穩(wěn)定的環(huán)境。(三)反應(yīng)器側(cè)壁上安裝有上視鏡和下視鏡，便于時刻觀察藥用植物細(xì)胞和器官的生長狀況。(四)本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，流體力學(xué)參數(shù)控制簡捷精準(zhǔn)，便于放大，從而可以降低生產(chǎn)成本、縮短生長周期、實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，而且可不受時間和區(qū)域的局限進(jìn)行周年生產(chǎn)。


圖1是本發(fā)明生物反應(yīng)器主體的主視圖；圖2是本發(fā)明生物反應(yīng)器主體的俯視圖；圖3是本發(fā)明生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1 控溫夾套，2 圓錐體結(jié)構(gòu)，3 圓錐體結(jié)構(gòu)上法蘭，4 球冠體結(jié)構(gòu)下法蘭， 5 球冠體結(jié)構(gòu)，6 球冠體結(jié)構(gòu)上法蘭，7 頂蓋，8 上視鏡，9 螺旋形散熱板，10 下視鏡，11 圓錐體結(jié)構(gòu)下法蘭，12 環(huán)形氣體分布器，13 出料取樣閥，14 接種口，15 消泡電極接口，16 排氣冷卻器接口，17 溫度電極接口，18 燈鏡，19 :pH電極接接口，20 溶氧電極接口，21 補(bǔ)料口，22 空氣壓縮機(jī)，23 空氣濾罐，24 第一壓力表，25 轉(zhuǎn)子流量計，26 第二壓力表，27 空氣進(jìn)口。
具體實(shí)施例方式如圖3所示，本實(shí)施例披露了一種植物組織培養(yǎng)用鼓泡式生物反應(yīng)器，主要包括由不銹鋼材料制成的生物反應(yīng)器主體，生物反應(yīng)器主體的空氣進(jìn)口 27與外部的空氣壓縮機(jī)22相連接，在空氣壓縮機(jī)22到生物反應(yīng)器主體的連接管路上依次安裝有空氣濾罐23和用于控制通氣量的轉(zhuǎn)子流量計25。空氣濾罐23上設(shè)置有第一壓力表對，第一壓力表M用于監(jiān)測空氣濾罐23中的壓力。在空氣進(jìn)口 27與轉(zhuǎn)子流量計25之間的連接管路上設(shè)置有第二壓力表沈，用于監(jiān)測反應(yīng)器主體中的壓力。如圖1所示，生物反應(yīng)器主體主要由球冠體結(jié)構(gòu)5和圓錐體結(jié)構(gòu)2組成，其中圓錐體結(jié)構(gòu)2的錐體角度在40° 150°范圍內(nèi)。生物反應(yīng)器主體的高徑比為0.38 2. 8，即高度與直徑的比值，這里的高度是指頂蓋7到圓錐體結(jié)構(gòu)2底部的高度，直徑是指生物反應(yīng)器主體的最大直徑。球冠體結(jié)構(gòu)4頂部設(shè)置有球冠體結(jié)構(gòu)上法蘭6，底部設(shè)置有球冠體結(jié)構(gòu)下法蘭4 ； 圓錐體結(jié)構(gòu)2頂部設(shè)置有圓錐體結(jié)構(gòu)上法蘭3，底部設(shè)置有圓錐體結(jié)構(gòu)下法蘭11。球冠體結(jié)構(gòu)下法蘭4與圓錐體結(jié)構(gòu)上法蘭3通過螺栓連接，并在其間設(shè)置環(huán)形橡膠圈進(jìn)行密封，從而將球冠體結(jié)構(gòu)5和圓錐體結(jié)構(gòu)2緊密連接成為一體。球冠體結(jié)構(gòu)5以球冠體結(jié)構(gòu)上法蘭6與頂蓋7通過螺栓連接，并在球冠體結(jié)構(gòu)上法蘭6與頂蓋7之間設(shè)置環(huán)形橡膠圈進(jìn)行密封。結(jié)合圖2所示，頂蓋7上設(shè)置有接種口 14、 用于通過控制閥與補(bǔ)液瓶相通的補(bǔ)料口 21、用于安裝排氣冷卻器的排氣冷卻器接口 16、用于安裝消泡電極的消泡電極接口 15、用于安裝溫度電極的溫度電極接口 17、用于安裝pH電極的PH電極接接口 19，以及用于安裝溶氧電極的溶氧電極接口 20。上述各接口內(nèi)在不安裝相應(yīng)元器件的時候安裝塞子進(jìn)行封堵，安裝相應(yīng)元器件時將塞子取下。頂蓋7的內(nèi)表面固定安裝有燈鏡18，使用24V低壓電，其作用是作為觀察反應(yīng)器主體內(nèi)部的培養(yǎng)液狀態(tài)及植物細(xì)胞生長狀態(tài)的光源。圓錐體結(jié)構(gòu)2底端以圓錐體結(jié)構(gòu)下法蘭11與出料取樣閥13通過螺栓相連接，并在圓錐體結(jié)構(gòu)下法蘭11和出料取樣閥13之間設(shè)置環(huán)形橡膠圈進(jìn)行密封。圓錐體結(jié)構(gòu)2底部內(nèi)設(shè)置有環(huán)形氣體分布器12，環(huán)形氣體分布器12連接有設(shè)置于圓錐體結(jié)構(gòu)2外部的空氣進(jìn)口 27?？諝鈮嚎s機(jī)22內(nèi)的空氣先經(jīng)過空氣濾罐23的過濾，再在環(huán)形氣體分布器12內(nèi)進(jìn)行均勻分布后進(jìn)入生物反應(yīng)器主體。圓錐體結(jié)構(gòu)2的外部焊接有圓錐體形狀的控溫夾套1，控溫夾套1與蒸汽發(fā)生器連接，主要用于在滅菌步驟時保證反應(yīng)器主體內(nèi)的溫度達(dá)到并持續(xù)在要求的溫度。在滅菌過程中，由蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽通過控溫夾套1的底部進(jìn)口進(jìn)入其內(nèi)部，再由其上部的開孔排出，這樣邊進(jìn)邊排，向反應(yīng)器主體內(nèi)部傳遞熱量。圓錐體結(jié)構(gòu)2與控溫夾套1之間安裝有螺旋形散熱板9，螺旋形散熱板9呈螺旋狀結(jié)構(gòu)均勻地分布于反應(yīng)器主體外周，有利于熱的傳導(dǎo)，具有良好的散熱作用，保證反應(yīng)器內(nèi)部培養(yǎng)基的溫度，為植物細(xì)胞的培養(yǎng)提供一個更穩(wěn)定的環(huán)境。生物反應(yīng)器主體側(cè)壁上分別設(shè)置有上視鏡8和下視鏡10，其中上視鏡8嵌裝在球冠體結(jié)構(gòu)4表面，下視鏡10嵌裝在圓錐體結(jié)構(gòu)2表面。上視鏡8和下視鏡10均為平面鏡， 兩者結(jié)合使用，便于時刻觀察藥用植物細(xì)胞和器官的生長狀況。下面以西洋參細(xì)胞的培養(yǎng)為例簡述IOL的本發(fā)明植物組織培養(yǎng)用鼓泡式生物反應(yīng)器的具體操作過程1.接上蒸汽發(fā)生器、反應(yīng)器控制箱、空氣壓縮機(jī)22電源插頭(確保插座已接地) 以及各設(shè)備進(jìn)水水管。2.先打開反應(yīng)器控制箱電源開關(guān)，反應(yīng)器控制箱連接安裝在生物反應(yīng)器主體上的各種電極。3.打開蒸汽發(fā)生器、空氣壓縮機(jī)22電源開關(guān)使之進(jìn)入工作等待狀態(tài)。4.首先應(yīng)對生物反應(yīng)器主體進(jìn)行氣密性試驗(yàn)。5.進(jìn)行pH電極和溶氧電極的零點(diǎn)標(biāo)定。6.反應(yīng)器中加入6L培養(yǎng)液，培養(yǎng)液pH6.0，進(jìn)行蒸汽滅菌。7.結(jié)束滅菌后，當(dāng)生物反應(yīng)器主體內(nèi)溫度降到70° 80°時，進(jìn)行溫度的自控， 具體操作如下在反應(yīng)器控制箱滅菌消毒界面，點(diǎn)擊設(shè)置鍵，再點(diǎn)擊溫度鍵將畫面切換到溫度控制回路界面；由手動切換到自動，進(jìn)行溫度的自控；根據(jù)植物組織的培養(yǎng)所需的溫度， 設(shè)置所需溫度25°后，開始溫度的自控。8.當(dāng)培養(yǎng)液溫度自控達(dá)到設(shè)定的培養(yǎng)溫度時，就可準(zhǔn)備接種；同時需進(jìn)行溶氧電極的100%點(diǎn)的標(biāo)定。通過頂蓋7上的接種口 14接種西洋參細(xì)胞，接種量2.5%，調(diào)節(jié)通氣量0.4vvm。每隔三天取樣，測定細(xì)胞干重、皂苷含量、多糖含量以及碳源、氮源和磷源的消耗情況；每次取樣重復(fù)處理3瓶，培養(yǎng)周期30天。盡管上面結(jié)合附圖和優(yōu)選實(shí)施例對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式
，上述的具體實(shí)施方式
僅僅是示意性的，并不是限制性的， 本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可以作出很多形式的具體變換，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種植物組織培養(yǎng)用鼓泡式生物反應(yīng)器，包括生物反應(yīng)器主體，其特征在于，所述生物反應(yīng)器主體包括通過法蘭上下連接的球冠體結(jié)構(gòu)和圓錐體結(jié)構(gòu)；所述球冠體結(jié)構(gòu)側(cè)壁設(shè)置有上視鏡，所述球冠體結(jié)構(gòu)頂部連接有頂蓋，所述頂蓋內(nèi)表面安裝有燈鏡，所述頂蓋上設(shè)置有接種口、補(bǔ)料口、排氣冷卻器接口、消泡電極接口、溫度電極接口、pH電極接接口和溶氧電極接口 ；所述圓錐體結(jié)構(gòu)側(cè)壁設(shè)置有下視鏡，所述圓錐體結(jié)構(gòu)外部安裝有連接于蒸汽發(fā)生器的控溫夾套，所述圓錐體結(jié)構(gòu)底部內(nèi)設(shè)置有環(huán)形氣體分布器，所述環(huán)形氣體分布器連接有設(shè)置于所述圓錐體結(jié)構(gòu)外部的空氣進(jìn)口，所述圓錐體結(jié)構(gòu)底端連接有出料取樣閥；所述空氣進(jìn)口通過轉(zhuǎn)子流量計連接有空氣濾罐，所述空氣濾罐與空氣壓縮機(jī)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種植物組織培養(yǎng)用鼓泡式生物反應(yīng)器，其特征在于，所述圓錐體結(jié)構(gòu)的錐體角度在40° 150°范圍內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種植物組織培養(yǎng)用鼓泡式生物反應(yīng)器，其特征在于，所述圓錐體結(jié)構(gòu)的錐體角度在60° 100°范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種植物組織培養(yǎng)用鼓泡式生物反應(yīng)器，其特征在于，所述生物反應(yīng)器主體的高徑比為0. 38 2. 8，所述高徑比為所述頂蓋到所述圓錐體結(jié)構(gòu)底部的高度與所述生物反應(yīng)器主體最大直徑之間的比值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種植物組織培養(yǎng)用鼓泡式生物反應(yīng)器，其特征在于，所述圓錐體結(jié)構(gòu)與所述控溫夾套之間安裝有螺旋形散熱板。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種植物組織培養(yǎng)用鼓泡式生物反應(yīng)器，其特征在于，所述空氣濾罐上設(shè)置有第一壓力表。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種植物組織培養(yǎng)用鼓泡式生物反應(yīng)器，其特征在于，所述空氣進(jìn)口與所述轉(zhuǎn)子流量計之間設(shè)置有第二壓力表。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種植物組織培養(yǎng)用鼓泡式生物反應(yīng)器，包括由上下連接的球冠體結(jié)構(gòu)和圓錐體結(jié)構(gòu)構(gòu)成的生物反應(yīng)器主體；生物反應(yīng)器主體側(cè)壁設(shè)置有上視鏡和下視鏡，球冠體結(jié)構(gòu)頂部連接有內(nèi)表面安裝燈鏡的頂蓋，頂蓋上設(shè)置有接種口、補(bǔ)料口、排氣冷卻器接口和電極接口；圓錐體結(jié)構(gòu)外部安裝有控溫夾套，圓錐體結(jié)構(gòu)底部設(shè)置有連接空氣進(jìn)口的環(huán)形氣體分布器，圓錐體結(jié)構(gòu)底端連接有出料取樣閥；生物反應(yīng)器主體依次通過空氣過濾器、空氣濾罐與空氣壓縮機(jī)連接。本發(fā)明主體結(jié)構(gòu)為近球形結(jié)構(gòu)，在組培過程中克服了現(xiàn)有生物反應(yīng)器容易產(chǎn)生氣泡的缺點(diǎn)，從而避免了植物細(xì)胞受到氣泡中的揮發(fā)性物質(zhì)二氧化碳之類氣體的影響，對植物細(xì)胞、組織和器官的剪切力較小。
文檔編號C12M1/38GK102321537SQ20111025531
公開日2012年1月18日 申請日期2011年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月31日
發(fā)明者董艷艷, 錢均弢, 高文遠(yuǎn) 申請人:天津大學(xué)