植物組織切割器外置型光生物反應器培養系統的製作方法

2023-09-19 18:40:10

專利名稱：植物組織切割器外置型光生物反應器培養系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種培養系統，具體是一種植物組織切割器外置型光生物反應器培養系統。用於植物組織工程領域。
背景技術：
光生物反應器的研究始於20世紀40年代微藻的大規模培養，80年代以後得到迅速發展，迄今為止已研製出種類繁多的光生物反應器，並且可在光生物反應器中插入pH值電極、溶解氧電極、溫度電極、細胞密度電極、粘度電極等，將上述傳感器獲得的信號可進一步轉換，實現光生物反應器的程序化自動記錄和控制。用於培養的陸地植物和大型海藻細胞或組織主要是愈傷組織、微繁殖體或是配子體細胞等形式，其共同特點是具有很強的生長、擴增能力，切割後可繼續生長，並且，培養過程中個體不斷長大，必須通過定期切割打碎才能維持其未分化狀態。對於目前植物組織的光生物反應器培養的研究，培養過程中當培養的組織和細胞生長到一定體積並開始影響其生長時，因目前的設計都沒有在線切割裝置，如需切割打碎則要完全離線操作，影響實驗進程，給實驗操作帶來不便，因此，在原有的設計在硬體上不能滿足需要的前提下，在線切割連續長期光生物反應器培養裝置系統可進一步實現光生物反應器的程序化自動記錄和控制。
經對現有技術文獻的檢索發現，Yao-ming Huang等人在《BiotechnologyProgress》2002，1862-71上發表的″Dynamics of oxygen evolution and biomassproduction during cultivation of Agardhiella subulata microplantlrts in abubble-column photobioreactor under medium perfusion″(利用氣升式光生物反應器培養拜式新亞藻微繁殖體進行氧傳遞動力學和生物量的研究，《生物技術進展》)一文中，提出Agardhiella subulata微繁殖體適宜懸浮培養的大小為3-10mm，微繁殖體培養過程中必須定期切割打碎，為了維持微繁殖體的高生長速率，培養過程中當微繁殖體生長超過10mm時，重新切割至3-5mm適宜大小再繼續培養；同時該文提出的Agardhiella subulata微繁殖體的光生物反應器培養系統由輸氣系統、光照系統和反應器主體三部分組成。其不足之處是該系統只能為微繁殖體提供階段性培養，不能實現連續長期光生物反應器的培養，另外，該系統對微繁殖體只能進行離線切割，這種離線切割方式大大增加了培養過程的微生物汙染率和繁瑣的切割工作，給實驗帶來不便；當應用於大規模培養時，離線切割則成為限制步驟，嚴重影響實驗的順利進行。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術中的不足，提供一種植物組織切割器外置型光生物反應器培養系統，使其實現植物細胞和組織培養過程中的在線切割，保證培養過程中培養物的生長代謝狀態維持在優化點，同時大大降低了離線切割的汙染率。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括輸液系統，氣體輸送系統，光照系統，生物反應器培養系統，數據接收處理器，在線光敏監測器，三通裝置，切割系統，第一空氣過濾器，真空/壓力兩用泵。其連接方式為輸液系統通過矽膠管與生物反應器培養系統連接；氣體輸送系統通過矽膠管與生物反應器培養系統相連；光照系統固定在生物反應器培養系統外圍；在線光敏監測器安裝在光生物反應器培養系統一側，將信號傳送至數據接收處理器；三通裝置的三端通過矽膠管分別連接生物反應器培養系統的兩個接口和切割系統的接口；真空/壓力兩用泵、第一空氣過濾器、切割系統由矽膠管首尾順次連接。
輸液系統由儲液罐和輸液泵組成。儲液罐由矽膠管經輸液泵與生物反應器培養系統連接，儲液罐中的新鮮培養液經輸液泵流入生物反應器培養系統內。
氣體輸送系統由氣泵，第二空氣過濾器，氣體流量計，氣體增溼裝置組成。氣體增溼裝置主體是圓柱型半球頂玻璃容器，其頂部整合有氣體入口和氣體出口，氣體入口伸入至距容器底部約1/6處；氣泵、第二空氣過濾器、氣體流量計和氣體增溼裝置的氣體入口間由矽膠管首尾順次連接；氣體增溼裝置的氣體出口與生物反應器培養系統連接。
生物反應器培養系統由氣體分布器，攪拌裝置，溶氧電極，pH電極，取樣管，出氣口，第三空氣過濾器，進液口，出液口，第一過濾篩絹，切割回液口，第一取液口，第二過濾篩絹和第二取液口組成。氣體分布器是由不鏽鋼材料製成的中空管，由通氣管和氣體分布管組成，通氣管由生物反應器培養系統頂端插入至生物反應器培養系統底部位置，氣體分布器底部為氣體分布管，呈圓弧形，分布在生物反應器培養系統圓形底面的外周，上面整合有圓形出氣孔，通氣管和氣體分布管連接處為通氣管接點；攪拌裝置由攪拌杆和攪拌槳組成，攪拌杆由生物反應器培養系統頂部中央位置伸入生物反應器培養系統內部距底部1/3～1/4處，攪拌杆底部整合有攪拌槳；取樣管伸入生物反應器培養系統內部距底部約1/2處左右；溶氧電極和pH電極伸入生物反應器培養系統的液面下；出氣口處用矽膠管連接第三空氣過濾器；出液口和第一取液口處分別有雙層800目的第一過濾篩絹和第二過濾篩絹。
輸液系統將新鮮培養液由進液口輸入至生物反應器培養系統，為保持恆定體積，生物反應器培養系統內過量的培養液由出液口處自動流出，出液口處有第一過濾篩絹；氣體輸送系統通過矽膠管與氣體分布器相連，氣體分布器由生物反應器培養系統頂端插入至生物反應器培養系統底部位置，為其培養提供充足的氣體，剩餘氣體及廢氣經出氣口排出；第一取液口和第二取液口通過矽膠管分別與三通裝置的第一取液接口和第二取液接口相連，第一取液口處有第二過濾篩絹；切割回液口通過矽膠管與切割系統連接；溶氧電極和pH電極由生物反應器培養系統頂端伸入生物反應器培養系統內部。
三通裝置一端呈U形，一端為一字形，由高硼矽玻璃材料製成。U端的2個埠為U端第一取液接口和U端第二取液接口分別通過矽膠管與生物反應器培養系統的第一取液口和第二取液口相連，並在矽膠管連接處安裝有第一止水夾和第二止水夾；一字端為切割進液口，通過矽膠管與切割系統相連。
生物反應器培養系統處於培養階段時，第一止水夾和第二止水夾全部關閉，培養液不能進入切割系統；需要切割時，打開沒有篩絹的第二取液口處的第二止水夾，培養液培養物同時進入切割系統；切割結束需要衝洗切割系統時，打開安裝有第二過濾篩絹的第一取液口處的第一止水夾，培養液進入切割系統，培養物則截留在生物反應器培養系統內。
切割系統由切割罐，切割器，切割參數設定面板，切割進液接口，切割出液口和正負壓通氣口組成。其連接方式為切割參數設定面板位於切割罐的底部，切割罐與切割參數設定面板之間可以拆卸，便於清洗消毒；切割器呈十字刀形，兩端向上傾斜立起，位於切割參數設定面板與切割罐相接一面的中央位置，可自由拆卸，切割器運轉的轉數和切割時間由切割參數設定面板根據實驗要求預先設定；切割罐頂端設有正負壓通氣口，通過矽膠管與第一空氣過濾器和真空/壓力兩用泵相連，當需要控制切割罐進液時，打開真空/壓力兩用泵的真空開關，培養液通過三通裝置，經切割罐上部位置的切割進液接口被吸入至切割罐內，反之，當將切割液回流至生物反應器培養系統內時，則打開真空/壓力兩用泵的壓力開關，切割液經切割罐下部的切割出液口被壓入至生物反應器培養系統內。
本發明工作時，儲液罐中的新鮮培養液經輸液泵流入生物反應器培養系統內，以維持生物反應器系統的長期連續培養，為保持生物反應器培養系統的培養體積的恆定，過量的培養液由出液口處自動流出，氣泵提供的氣體經第二空氣過濾器過濾除菌，氣體增溼裝置增溼後，由氣體分布器在生物反應器培養系統底部為其培養提供充足的氣體，剩餘的氣體及廢氣由出氣口排出，出氣口處連接第三空氣過濾器，以保證反應器內無菌狀態，光照系統為生物反應器培養系統提供必須的光強，生物反應器培養系統進入培養階段，在線光敏監測器通過光敏信號確定目的培養物的大小，連續、在線監測目的培養物大小和濃度，並將信號反饋至數據接收處理器，當數據接收處理器顯示目的培養物的大小達到設定大小參數，同時數量達到設定比例數時，出現提示切割信號，此時，打開三通裝置的第二止水夾，開啟真空/壓力兩用泵的真空開關，生物反應器培養系統內的培養物和培養液共同進入切割罐中，達到切割罐設定體積後，先關閉真空開關，再關閉第二止水夾，通過切割參數設定面板按照要求設定切割器運轉的轉數和切割時間，開啟切割開關，切割開始；切割結束後，開啟真空/壓力兩用泵的壓力開關，切割液通過壓力作用由切割出液口、矽膠管、切割回液口回流至生物反應器培養系統中，關閉真空/壓力兩用泵的壓力開關；然後，打開三通裝置的第一止水夾，開啟真空/壓力兩用泵的真空開關，生物反應器培養系統內的培養液進入切割罐中，培養物則被第一取液口處的第二過濾篩絹截留在生物反應器培養系統內，當進入切割罐的培養液體積達到設定體積時，先關閉真空開關，再關閉第一止水夾，通過切割參數設定面板設定衝洗參數，開啟切割開關，衝洗切割罐，衝洗結束後，開啟真空/壓力兩用泵的壓力開關，切割液通過壓力作用由切割出液口、矽膠管、切割回液口回流至生物反應器培養系統，關閉真空/壓力兩用泵的壓力開關，此操作重複2-3次，切割過程結束，生物反應器培養系統進入培養階段。
本發明系統為密閉系統，降低了微生物的汙染，同時解決了植物細胞和組織培養過程中因目的培養物個體過大而給實驗帶來的實際問題，保證了培養過程中培養物的生長代謝狀態維持在優化點，實現了植物組織在線切割連續長期光生物反應器培養，為規模化培養提供可能的途徑。
與現有技術相比，本發明將切割器與光生物反應器配合使用，實現了植物細胞和組織培養過程中的在線切割，大大降低了離線切割的汙染率，提高了工作效率，保證了培養過程中目的培養物的品質及其生長代謝狀態維持在優化點；本發明中的切割器具有獨立的切割參數設定面板，可操作性強，可根據不同的目的培養物設定不同的切割參數；由在線光敏監測器檢測目的培養物大小取代傳統的目測方法，提高了實驗的科學性、準確性；廣泛適用於不同類型的光生物反應器，切割器易於拆卸清洗，便於獨立操作，整個系統的兩大系統(生物反應器培養系統和切割系統)既各自獨立又彼此聯繫，避免了切割過程中與光生物反應器其他培養參數(如通氣、攪拌等)的交叉影響，提高了實驗單一參數研究的準確性。


圖1為本發明結構示意2為本發明輸液系統結構示意3為本發明氣體輸送系統結構示意4為本發明生物反應器培養系統結構示意5為本發明氣體分布器結構正視6為本發明氣體分布器結構俯視7為本發明三通裝置結構示意8為本發明切割系統結構示意中，1.輸液系統 2.氣體輸送系統 3.光照系統 4.生物反應器培養系統 5.數據接收處理器 6.在線光敏監測器 7.三通裝置 8.切割系統 9.第一空氣過濾器 10.真空/壓力兩用泵 11.儲液罐 12.輸液泵 13.氣泵 14.第二空氣過濾器 15.氣體流量計 16.氣體增溼裝置 17.氣體入口 18.氣體出口 19.進液口 20.氣體分布器 21.溶氧電極 22.pH電極 23.攪拌裝置24.切割回液口 25.取樣管 26.出氣口 27.第三空氣過濾器 28.出液口29.第一過濾篩絹 30.第一取液口 31.第二過濾篩絹 32.第二取液口 33.攪拌杆 34.攪拌槳 35.通氣管 36.氣體分布管 37.通氣管接點 38.出氣孔 39.第一取液接口 40.第二取液接口 41.第一止水夾 42.第二止水夾43.切割進液口 44.切割進液接口 45.正負壓通氣口 46.切割罐 47.切割出液口 48.切割器 49.切割參數設定面板具體實施方式
如圖1-8所示，本發明包括輸液系統1，氣體輸送系統2，光照系統3，生物反應器培養系統4，數據接收處理器5，在線光敏監測器6，三通裝置7，切割系統8，第一空氣過濾器9，真空/壓力兩用泵10。其連接方式為輸液系統1通過矽膠管與生物反應器培養系統4連接；氣體輸送系統2通過矽膠管與生物反應器培養系統4連接；光照系統3固定在生物反應器培養系統4外圍；在線光敏監測器6安裝在光生物反應器培養系統4一側，將信號傳送至數據接收處理器5；三通裝置7的三端通過矽膠管分別連接生物反應器培養系統4的兩個接口和切割系統8的接口；真空/壓力兩用泵10、第一空氣過濾器9、切割系統8由矽膠管首尾順次連接。
輸液系統1由儲液罐11和輸液泵12組成。儲液罐11由矽膠管經輸液泵12與生物反應器培養系統4連接，儲液罐11中的新鮮培養液經輸液泵12流入生物反應器培養系統4內。
氣體輸送系統2由氣泵13，第二空氣過濾器14，氣體流量計15，氣體增溼裝置16組成。氣體增溼裝置16的頂部整合有氣體入口17和氣體出口18，氣體入口17伸入至距容器底部約1/6處；氣泵13、第二空氣過濾器14、氣體流量計15和氣體增溼裝置16的氣體入口17之間由矽膠管首尾順次連接；氣體增溼裝置16的氣體出口18與生物反應器培養系統4連接。
生物反應器培養系統4由進液口19，氣體分布器20，溶氧電極21，pH電極22，攪拌裝置23，切割回液口24，取樣管25，出氣口26，第三空氣過濾器27，出液口28，第一過濾篩絹29，第一取液口30，第二過濾篩絹31和第二取液口32組成。氣體分布器20是由不鏽鋼材料製成的中空管，由通氣管35和氣體分布管36組成，通氣管35由生物反應器培養系統4頂端插入至生物反應器培養系統4底部位置，氣體分布器20底部為氣體分布管36，呈圓弧形，分布在生物反應器培養系統4圓形底面的外周，上面整合有圓形出氣孔38，通氣管35和氣體分布管36連接處為通氣管接點37；攪拌裝置23由攪拌杆33和攪拌槳34組成，攪拌杆33由生物反應器培養系統4頂部中央位置伸入生物反應器培養系統4內部距底部1/3～1/4處，攪拌杆33底部整合有攪拌槳34；取樣管25伸入生物反應器培養系統4內部距底部約1/2處；溶氧電極21和pH電極22伸入生物反應器培養系統4的液面下；出氣口26處用矽膠管連接第三空氣過濾器27；輸液系統1將新鮮培養液由進液口19輸入至生物反應器培養系統4，生物反應器培養系統4內過量的培養液由出液口28處自動流出，出液口28和第一取液口30處分別有雙層800目的第一過濾篩絹29和第二過濾篩絹31，第一取液口30和第二取液口32通過矽膠管與三通裝置7相連；切割回液口24通過矽膠管與切割系統8連接。
三通裝置7一端呈U形，一端為一字形，由高硼矽玻璃材料製成。U端的2個埠為U端第一取液接口39和U端第二取液接口40分別通過矽膠管與生物反應器培養系統4的第一取液口30和第二取液口32相連，並在矽膠管連接處安裝有第一止水夾41和第二止水夾42；一字端為切割進液口43，通過矽膠管與切割系統8相連。
切割系統8由切割罐46，切割器48，切割參數設定面板49，切割進液接口44，切割出液口47和正負壓通氣口45組成。其連接方式為切割參數設定面板49位於切割罐46的底部，切割罐46與切割參數設定面板49之間可以拆卸，切割器48呈十字刀形，兩端向上傾斜立起，位於切割參數設定面板49與切割罐46相接一面的中央位置，切割罐46頂端設有正負壓通氣口45，通過矽膠管與第一空氣過濾器9和真空/壓力兩用泵10相連。
權利要求
1.一種植物組織切割器外置型光生物反應器培養系統，包括輸液系統(1)、氣體輸送系統(2)、光照系統(3)、生物反應器培養系統(4)，其特徵在於，還包括數據接收處理器(5)、在線光敏監測器(6)、三通裝置(7)、切割系統(8)、第一空氣過濾器(9)，真空/壓力兩用泵(10)，其連接方式為輸液系統(1)通過矽膠管與生物反應器培養系統(4)連接，氣體輸送系統(2)通過矽膠管與生物反應器培養系統(4)連接，光照系統(3)固定在生物反應器培養系統(4)外圍，在線光敏監測器(6)設在光生物反應器培養系統(4)一側，與數據接收處理器(5)連接，三通裝置(7)的三端通過矽膠管分別連接生物反應器培養系統(4)的兩個接口和切割系統(8)的一個接口，真空/壓力兩用泵(10)、第一空氣過濾器(9)、切割系統(8)由矽膠管首尾順次連接。
2.根據權利要求1所述的植物組織切割器外置型光生物反應器培養系統，其特徵是，輸液系統(1)由儲液罐(11)和輸液泵(12)組成，儲液罐(11)由矽膠管經輸液泵(12)與生物反應器培養系統(4)連接。
3.根據權利要求1所述的植物組織切割器外置型光生物反應器培養系統，其特徵是，氣體輸送系統(2)由氣泵(13)、第二空氣過濾器(14)、氣體流量計(15)、氣體增溼裝置(16)組成，氣體增溼裝置(16)的頂部整合有氣體入口(17)和氣體出口(18)，氣體入口(17)伸入至距容器底部1/6處，氣泵(13)、第二空氣過濾器(14)、氣體流量計(15)和氣體入口(17)之間由矽膠管首尾順次連接，氣體增溼裝置(16)的氣體出口(18)與生物反應器培養系統(4)連接。
4.根據權利要求1所述的植物組織切割器外置型光生物反應器培養系統，其特徵是，生物反應器培養系統(4)由進液口(19)、氣體分布器(20)、溶氧電極(21)、pH電極(22)、攪拌裝置(23)、切割回液口(24)、取樣管(25)，出氣口(26)、第三空氣過濾器(27)、出液口(28)、第一過濾篩絹(29)，第一取液口(30)、第二過濾篩絹(31)和第二取液口(32)組成，氣體分布器(20)分布在生物反應器培養系統(4)圓形底面的外周，攪拌裝置(23)由攪拌杆(33)和攪拌槳(34)組成，攪拌杆(33)由生物反應器培養系統(4)頂部中央位置伸入生物反應器培養系統(4)內部距底部1/3～1/4處，攪拌杆(33)底部整合有攪拌槳(34)，取樣管(25)伸入生物反應器培養系統(4)內部距底部1/2處，溶氧電極(21)和pH電極(22)伸入生物反應器培養系統(4)的液面下，出氣口(26)處用矽膠管連接第三空氣過濾器(27)，輸液系統(1)將新鮮培養液由進液口(19)輸入至生物反應器培養系統(4)，生物反應器培養系統(4)內過量的培養液由出液口(28)處自動流出，出液口(28)和第一取液口(30)處分別有第一過濾篩絹(29)和第二過濾篩絹(31)，第一、第二取液口(30、32)通過矽膠管與三通裝置(7)相連，切割回液口(24)通過矽膠管與切割系統(8)連接。
5.根據權利要求4所述的植物組織切割器外置型光生物反應器培養系統，其特徵是，氣體分布器(20)是由不鏽鋼材料製成的中空管，由通氣管(35)和氣體分布管(36)組成，通氣管(35)與氣體增溼裝置(16)的氣體出口(18)相連，由生物反應器培養系統(4)頂端插入至生物反應器培養系統(4)底部位置，氣體分布器(20)底部為氣體分布管(36)，呈圓弧形，分布在生物反應器培養系統(4)圓形底面的外周，上面整合有圓形出氣孔(38)，通氣管(35)和氣體分布管(36)連接處為通氣管接點(37)。
6.根據權利要求1所述的植物組織切割器外置型光生物反應器培養系統，其特徵是，三通裝置(7)一端呈U形，一端為一字形，U端的兩個埠為U端第一取液接口(39)和U端第二取液接口(40)分別通過矽膠管與生物反應器培養系統(4)的第一取液口(30)和第二取液口(32)相連，並在矽膠管連接處設有第一止水夾(41)和第二止水夾(42)，一字端為切割進液口(43)，通過矽膠管與切割系統(8)相連。
7.根據權利要求1所述的植物組織切割器外置型光生物反應器培養系統，其特徵是，切割系統(8)由切割罐(46)，切割器(48)，切割參數設定面板(49)，切割進液接口(44)，切割出液口(47)和正負壓通氣口(45)組成，切割參數設定面板(49)位於切割罐(44)的底部，切割器(48)位於切割參數設定面板(49)與切割罐(46)相接一面的中央位置，切割罐(46)頂端設有正負壓通氣口(45)，通過矽膠管與第一空氣過濾器(9)和真空/壓力兩用泵(10)相連。
8.根據權利要求7所述的植物組織切割器外置型光生物反應器培養系統，其特徵是，切割器(48)呈十字刀形，兩端向上傾斜立起，切割罐(44)與切割參數設定面板(47)之間能拆卸。
全文摘要
一種植物組織切割器外置型光生物反應器培養系統，包括輸液系統，氣體輸送系統，光照系統，生物反應器培養系統，數據接收處理器，在線光敏監測器，三通裝置，切割系統，第一空氣過濾器，真空/壓力兩用泵。輸液系統通過矽膠管與生物反應器培養系統連接；氣體輸送系統通過矽膠管與生物反應器培養系統相連；光照系統固定在生物反應器培養系統外圍；在線光敏監測器安裝在光生物反應器培養系統一側，將信號傳送至數據接收處理器；三通裝置的三端通過矽膠管分別連接生物反應器培養系統的兩個接口和切割系統的接口；真空/壓力兩用泵、第一空氣過濾器、切割系統由矽膠管首尾順次連接。本發明大大降低了離線切割的汙染率，提高了工作效率。
文檔編號C12M1/00GK1680535SQ20051002328
公開日2005年10月12日 申請日期2005年1月13日 優先權日2005年1月13日
發明者張寶紅, 齊瀚實, 趙銳, 陳思曄, 強靜 申請人:上海交通大學