專利名稱：一種植物組織培養用鼓泡式生物反應器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種通過組織培養技術進行植物再生的微生物學裝置，具體的說，是涉及一種植物細胞、組織和器官的培養用鼓泡式生物反應器。
背景技術：
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遠超過了植物的生長速度，藥用植物資源日趨枯竭。傳統的藥用植物大田栽培一方面受“天時地利”的影響，產量質量波動大，另一方面農藥殘留污染問題嚴重。植物細胞、組織和器官的生物反應器培養具有生長迅速，易于控制的特點，因而可以逐漸取代大田栽培滿足市場的需要。生物反應器是用于大規模培養微生物、植物和動物細胞的反應器，目前培養植物細胞、組織和器官的生物反應器已經到了工業化大生產的階段。例如，用氣升式生物反應器培養長春花細胞生產蛇根堿[A. H. kragg et al. ,Enzyme Microb Technol, 1987,9 619]； 韓國S. H. Son等人對紅豆杉細胞進行反應器大規模培養，采用從IOOL到500L的氣升式反應器[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器對人參不定根進行大規模培養獲得具有很強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胞、組織和器官懸浮培養的反應器主要有攪拌式、氣升式、鼓泡式等。從上個世紀80年代開始，植物細胞、組織和器官的培養用反應器就已經由攪拌式向氣升式和鼓泡式過渡。由于植物細胞具有體積較大，細胞壁較脆以及具有大的液泡等特點，植物細胞對剪切力很敏感，其敏感性由細胞的種類、狀態、切變力耐受性、剪切速率及反應器本身的結構等多種因素決定。針對這一特點，解決的途徑通常是從細胞系本身出發，篩選抗剪切力的高產系或通過細胞工程和基因工程手段對現有細胞系進行改造，建立抗剪切力的株系；在此基礎上改造反應器結構，使其具有緩和的流場及良好的混合性能。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，氣升式反應器和鼓泡式反應器剪切力較小，目前國內外普遍認為鼓泡式反應器是一類適用面廣的生物反應器，這類反應器的結構特點是氣泡沿液相上升，在與液相接觸進行反應的同時攪動液體以提高傳質速率。傳統的鼓泡式反應器返混嚴重，氣泡易產生聚并，并且泡沫會夾帶一些CO2揮發性物質，對植物細胞的生長產生不良影響，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胞、組織和器官的生長以及次生代謝產物的積累產生不良影響。

發明內容
本發明要解決的是現有鼓泡式生物反應器的圓柱形結構剪切力較大和產生氣泡較多的技術問題，提供一種近球形的鼓泡式生物反應器。為了解決上述技術問題，本發明的裝置通過以下的技術方案予以實現一種植物組織培養用鼓泡式生物反應器，包括生物反應器主體，所述生物反應器主體包括通過法蘭上下連接的球冠體結構和圓錐體結構；所述球冠體結構側壁設置有上視鏡，所述球冠體結構頂部連接有頂蓋，所述頂蓋內表面安裝有燈鏡，所述頂蓋上設置有接種口、補料口、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 ；所述圓錐體結構側壁設置有下視鏡，所述圓錐體結構外部安裝有連接于蒸汽發生器的控溫夾套，所述圓錐體結構底部內設置有環形氣體分布器，所述環形氣體分布器連接有設置于所述圓錐體結構外部的空氣進口，所述圓錐體結構底端連接有出料取樣閥；所述空氣進口通過轉子流量計連接有空氣濾罐，所述空氣濾罐與空氣壓縮機連接。所述圓錐體結構的錐體角度在40° 150°范圍內。所述圓錐體結構的錐體角度在60° 100°范圍內。所述生物反應器主體的高徑比為0. 38 2. 8，所述高徑比為所述頂蓋到所述圓錐體結構底部的高度與所述生物反應器主體最大直徑之間的比值。所述圓錐體結構與所述控溫夾套之間安裝有螺旋形散熱板。所述空氣濾罐上設置有第一壓力表。所述空氣進口與所述轉子流量計之間設置有第二壓力表。本發明的有益效果是(一 )本發明的生物反應器主體結構為近球形結構，在培養植物細胞、組織和器官的過程中，反應器上部的空間直徑較大，克服了圓柱形氣升式生物反應器和鼓泡式生物反應器容易產生氣泡的缺點，從而避免了植物細胞受到氣泡中的揮發性物質二氧化碳之類氣體的影響。(二)本發明中位于反應器主體結構和夾套之間的螺旋形散熱板，呈螺旋狀結構均勻地分布于反應器主體外周，有利于熱的傳導，具有良好的散熱作用，保證反應器內部培養基的溫度，為植物細胞的培養提供一個更穩定的環境。(三)反應器側壁上安裝有上視鏡和下視鏡，便于時刻觀察藥用植物細胞和器官的生長狀況。(四)本發明結構簡單，操作方便，流體力學參數控制簡捷精準，便于放大，從而可以降低生產成本、縮短生長周期、實現標準化，而且可不受時間和區域的局限進行周年生產。


圖1是本發明生物反應器主體的主視圖；圖2是本發明生物反應器主體的俯視圖；圖3是本發明生物反應器的結構示意圖。圖中1 控溫夾套，2 圓錐體結構，3 圓錐體結構上法蘭，4 球冠體結構下法蘭， 5 球冠體結構，6 球冠體結構上法蘭，7 頂蓋，8 上視鏡，9 螺旋形散熱板，10 下視鏡，11 圓錐體結構下法蘭，12 環形氣體分布器，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 補料口，22 空氣壓縮機，23 空氣濾罐，24 第一壓力表，25 轉子流量計，26 第二壓力表，27 空氣進口。
具體實施例方式如圖3所示，本實施例披露了一種植物組織培養用鼓泡式生物反應器，主要包括由不銹鋼材料制成的生物反應器主體，生物反應器主體的空氣進口 27與外部的空氣壓縮機22相連接，在空氣壓縮機22到生物反應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子流量計25。空氣濾罐23上設置有第一壓力表對，第一壓力表M用于監測空氣濾罐23中的壓力。在空氣進口 27與轉子流量計25之間的連接管路上設置有第二壓力表沈，用于監測反應器主體中的壓力。如圖1所示，生物反應器主體主要由球冠體結構5和圓錐體結構2組成，其中圓錐體結構2的錐體角度在40° 150°范圍內。生物反應器主體的高徑比為0.38 2. 8，即高度與直徑的比值，這里的高度是指頂蓋7到圓錐體結構2底部的高度，直徑是指生物反應器主體的最大直徑。球冠體結構4頂部設置有球冠體結構上法蘭6，底部設置有球冠體結構下法蘭4 ； 圓錐體結構2頂部設置有圓錐體結構上法蘭3，底部設置有圓錐體結構下法蘭11。球冠體結構下法蘭4與圓錐體結構上法蘭3通過螺栓連接，并在其間設置環形橡膠圈進行密封，從而將球冠體結構5和圓錐體結構2緊密連接成為一體。球冠體結構5以球冠體結構上法蘭6與頂蓋7通過螺栓連接，并在球冠體結構上法蘭6與頂蓋7之間設置環形橡膠圈進行密封。結合圖2所示，頂蓋7上設置有接種口 14、 用于通過控制閥與補液瓶相通的補料口 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。上述各接口內在不安裝相應元器件的時候安裝塞子進行封堵，安裝相應元器件時將塞子取下。頂蓋7的內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器主體內部的培養液狀態及植物細胞生長狀態的光源。圓錐體結構2底端以圓錐體結構下法蘭11與出料取樣閥13通過螺栓相連接，并在圓錐體結構下法蘭11和出料取樣閥13之間設置環形橡膠圈進行密封。圓錐體結構2底部內設置有環形氣體分布器12，環形氣體分布器12連接有設置于圓錐體結構2外部的空氣進口 27。空氣壓縮機22內的空氣先經過空氣濾罐23的過濾，再在環形氣體分布器12內進行均勻分布后進入生物反應器主體。圓錐體結構2的外部焊接有圓錐體形狀的控溫夾套1，控溫夾套1與蒸汽發生器連接，主要用于在滅菌步驟時保證反應器主體內的溫度達到并持續在要求的溫度。在滅菌過程中，由蒸汽發生器產生的蒸汽通過控溫夾套1的底部進口進入其內部，再由其上部的開孔排出，這樣邊進邊排，向反應器主體內部傳遞熱量。圓錐體結構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呈螺旋狀結構均勻地分布于反應器主體外周，有利于熱的傳導，具有良好的散熱作用，保證反應器內部培養基的溫度，為植物細胞的培養提供一個更穩定的環境。生物反應器主體側壁上分別設置有上視鏡8和下視鏡10，其中上視鏡8嵌裝在球冠體結構4表面，下視鏡10嵌裝在圓錐體結構2表面。上視鏡8和下視鏡10均為平面鏡， 兩者結合使用，便于時刻觀察藥用植物細胞和器官的生長狀況。下面以西洋參細胞的培養為例簡述IOL的本發明植物組織培養用鼓泡式生物反應器的具體操作過程1.接上蒸汽發生器、反應器控制箱、空氣壓縮機22電源插頭(確保插座已接地) 以及各設備進水水管。2.先打開反應器控制箱電源開關，反應器控制箱連接安裝在生物反應器主體上的各種電極。3.打開蒸汽發生器、空氣壓縮機22電源開關使之進入工作等待狀態。4.首先應對生物反應器主體進行氣密性試驗。5.進行pH電極和溶氧電極的零點標定。6.反應器中加入6L培養液，培養液pH6.0，進行蒸汽滅菌。7.結束滅菌后，當生物反應器主體內溫度降到70° 80°時，進行溫度的自控， 具體操作如下在反應器控制箱滅菌消毒界面，點擊設置鍵，再點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，進行溫度的自控；根據植物組織的培養所需的溫度， 設置所需溫度25°后，開始溫度的自控。8.當培養液溫度自控達到設定的培養溫度時，就可準備接種；同時需進行溶氧電極的100%點的標定。通過頂蓋7上的接種口 14接種西洋參細胞，接種量2.5%，調節通氣量0.4vvm。每隔三天取樣，測定細胞干重、皂苷含量、多糖含量以及碳源、氮源和磷源的消耗情況；每次取樣重復處理3瓶，培養周期30天。盡管上面結合附圖和優選實施例對本發明的優選實施例進行了描述，但是本發明并不局限于上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，并不是限制性的， 本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可以作出很多形式的具體變換，這些均屬于本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種植物組織培養用鼓泡式生物反應器，包括生物反應器主體，其特征在于，所述生物反應器主體包括通過法蘭上下連接的球冠體結構和圓錐體結構；所述球冠體結構側壁設置有上視鏡，所述球冠體結構頂部連接有頂蓋，所述頂蓋內表面安裝有燈鏡，所述頂蓋上設置有接種口、補料口、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 ；所述圓錐體結構側壁設置有下視鏡，所述圓錐體結構外部安裝有連接于蒸汽發生器的控溫夾套，所述圓錐體結構底部內設置有環形氣體分布器，所述環形氣體分布器連接有設置于所述圓錐體結構外部的空氣進口，所述圓錐體結構底端連接有出料取樣閥；所述空氣進口通過轉子流量計連接有空氣濾罐，所述空氣濾罐與空氣壓縮機連接。
2.根據權利要求1所述的一種植物組織培養用鼓泡式生物反應器，其特征在于，所述圓錐體結構的錐體角度在40° 150°范圍內。
3.根據權利要求2所述的一種植物組織培養用鼓泡式生物反應器，其特征在于，所述圓錐體結構的錐體角度在60° 100°范圍內。
4.根據權利要求1所述的一種植物組織培養用鼓泡式生物反應器，其特征在于，所述生物反應器主體的高徑比為0. 38 2. 8，所述高徑比為所述頂蓋到所述圓錐體結構底部的高度與所述生物反應器主體最大直徑之間的比值。
5.根據權利要求1所述的一種植物組織培養用鼓泡式生物反應器，其特征在于，所述圓錐體結構與所述控溫夾套之間安裝有螺旋形散熱板。
6.根據權利要求1所述的一種植物組織培養用鼓泡式生物反應器，其特征在于，所述空氣濾罐上設置有第一壓力表。
7.根據權利要求1所述的一種植物組織培養用鼓泡式生物反應器，其特征在于，所述空氣進口與所述轉子流量計之間設置有第二壓力表。
全文摘要
本發明公開了一種植物組織培養用鼓泡式生物反應器，包括由上下連接的球冠體結構和圓錐體結構構成的生物反應器主體；生物反應器主體側壁設置有上視鏡和下視鏡，球冠體結構頂部連接有內表面安裝燈鏡的頂蓋，頂蓋上設置有接種口、補料口、排氣冷卻器接口和電極接口；圓錐體結構外部安裝有控溫夾套，圓錐體結構底部設置有連接空氣進口的環形氣體分布器，圓錐體結構底端連接有出料取樣閥；生物反應器主體依次通過空氣過濾器、空氣濾罐與空氣壓縮機連接。本發明主體結構為近球形結構，在組培過程中克服了現有生物反應器容易產生氣泡的缺點，從而避免了植物細胞受到氣泡中的揮發性物質二氧化碳之類氣體的影響，對植物細胞、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 優先權日2011年8月31日
發明者董艷艷, 錢均弢, 高文遠 申請人:天津大學