植物在線自動營養源供給光生物反應器培養系統的製作方法
2023-09-19 18:35:10
專利名稱：植物在線自動營養源供給光生物反應器培養系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於生物技術領域的反應器培養系統，具體是一種植物在線自動營養源供給光生物反應器培養系統。
背景技術：
生物反應器在植物細胞大規模培養中一直扮演著重要的角色，二十世紀90年代國外開始嘗試通過優化生物反應器的方法來控制細胞生長並獲取生物活性物質，迄今為止該研究仍處於探索階段。以往有關植物細胞培養反應器研究工作主要是從化工角度進行，沒有能夠把生物反應器裝置的研製工作與植物細胞作為一個活體的特性真正結合起來開展工作。植物細胞是一個複雜的體系，細胞內部存在多種正反饋和負反饋調控機制，在培養過程中具有遺傳和生理不穩定性。深入研究培養過程中植物細胞的特性，努力從生命和細胞的總體和本質角度去思考和進行反應器研製，將有可能在反應器研製工作中取得根本性突破。秉承這樣的思想理念，反應器最終應成為一個可近乎完全模擬細胞在體生活環境的理想狀態類『生物體』。活體細胞或組織的一個重要特性即能根據環境變化進行反饋調節，因此根據細胞濃度及生存環境變化的信息反饋調節營養源的供給將最大化優化細胞或組織生長。目前應用於植物細胞或組織在線自動營養源供給的光生物反應器尚不存在。
經過現有技術文獻檢索發現，Rorrer GL等人在《J Nat Prod》2003 Jun；66(6)743-751.上發表的「Isolation of halogenated monoterpenes frombioreactor-cultured microplantlets of the macrophytic red algae Ochtodessecundiramea and Portieria hornemannii.」(「從生物反應器培養的大型海藻細胞提取滷化單萜」，《自然科學進展》)一文中，提出了一種培養大型海藻細胞的光生物反應器系統，該系統由罐體、光照系統、灌注系統、鼓氣裝置、取樣裝置等組成。該系統的不足之處在於不能連續監測反應器中的營養源濃度變化，而是在細胞生長和產物形成過程中不斷地將部分條件培養液取出，根據所測營養物濃度繼續灌注新的培養液。儘管該操作可使細胞處於穩定的營養環境中，有害代謝廢物濃度積累較低，但不能克服營養源吸收和細胞增殖不同步的矛盾，所測量的數據不能實時反映反應器內營養源濃度的變化，也就無法實現營養源的自動供給。根據實驗數據進行灌注速率及體積的調整往往比較滯後。同時也無法做到各種不同營養源比例的精確調控，即不能使細胞或組織處於最佳的生存環境。此外汙染機率高及規模放大過程中的工程問題也不可避免。因此該系統僅能用於實驗室小規模培養，具有很大的局限性。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術中的不足，提出一種植物在線自動營養源供給光生物反應器培養系統，使其做到各營養源比例精確調控，採用獨特設計的在線自動營養源供給灌注攪拌式光生物反應器培養陸地與海洋植物細胞和組織，實現了植物細胞生長實時在線監測、自動調節營養源供給的要求。
本發明是通過以下技術方案來實現的，本發明包括氮源濃縮液罐、磷源濃縮液罐、輔助添加劑濃縮液罐、氮源泵、磷源泵、輔助添加劑泵、基礎培養液罐、控制器、基礎培養液泵、細胞濃度探頭、pH探頭、光生物反應器、流出液罐，氮源濃縮液罐、磷源濃縮液罐、輔助添加劑濃縮液罐、氮源泵、磷源泵、輔助添加劑泵、基礎培養液罐、基礎培養液泵、流出液罐通過矽膠管依次相連，氮源泵、磷源泵、輔助添加劑泵通過數據線與控制器相連，細胞濃度探頭、pH探頭設在光生物反應器內。
所述的細胞濃度探頭、pH探頭通過數據線與控制器相連。
所述的細胞濃度探頭、pH探頭實時不間斷的將細胞濃度及pH變化的數據傳輸到控制器。
所述的控制器將上傳的細胞濃度及pH數據轉化為向氮源泵、磷源泵、輔助添加劑泵所發放的相應指令。
所述的氮源泵、磷源泵、輔助添加劑泵依據控制器發放的指令或開放或關閉。
所述的控制器，將細胞濃度值轉換成所需營養源的比例及添加速度。
所述的細胞濃度探頭，在其內的可見光區直接讀出周圍培養液中的細胞濃度。
本發明工作時，當一組監測開始氮源濃縮液罐、磷源濃縮液罐、輔助添加劑濃縮液罐、氮源泵、磷源泵、輔助添加劑泵處於或開放或關閉狀態。基礎培養液罐、基礎培養液泵處於工作狀態供給植物細胞或組織生長所需營養源，在細胞生長過程中細胞濃度探頭、pH探頭感知的信號不斷傳遞到數據採集系統，從而實現細胞濃度和pH連續檢測。當一組檢測完成之後，控制器根據預先設定的程序對上傳的信號進行『判斷』並反饋啟動相應的營養源泵進行相應的營養源供給操作。細胞濃度探頭及營養源供給控制器，此裝置主要用於連續分析培養液中細胞濃度變化數據，並根據變化及時作出相應營養源供給的再調整，主要是氮源和磷源的供應，細胞濃度探頭的工作原理如下含細胞的培養液進入探頭後，在分光光度計的可見光區可直接讀出細胞濃度，細胞濃度值直接上傳至控制器，控制器依據程序將細胞濃度值轉換成所需營養源的比例及添加速度，隨後向各營養源泵發出指令，從而完成營養源的最佳供給滿足細胞生長的需要。
在系統控制面板上輸入氣體流量，光照強度等初始參數，經調試後系統即進入自動工作狀態。基礎培養液以恆定的速度灌注入光生物反應器內，此外氣體供給，攪拌速度及光照強度按照系統要求做出自動調節，以達到或接近系統最佳工作狀態。當細胞濃度探頭感知光生物反應器內細胞濃度超過預設閾值時，數據上傳到營養源泵控制器，該控制器根據整合後的信息向氮源泵、磷源泵、輔助添加劑泵發出相應指令，暫停某些營養源的供給；反之，細胞濃度探頭感知反應器內細胞濃度低於預設閾值時，控制器即向營養源泵發出運行的指令，所需營養源開始以一定比例一定速度灌注入基礎培養液罐，以維持植物細胞生長的最佳營養物主要為氮、磷濃度，保證細胞生長能夠獲得充足的營養源。通常情況下，每隔30秒細胞濃度探頭即可向控制器輸送一次細胞濃度變化的數據，做到了實時監測適時調節，有效避免了營養源添加的提前性與滯後性。在整個培養過程中，細胞濃度監測及營養源供給是實時，在線，連續，自動，靈敏的過程，從營養源供給層面真正實現了陸地與海洋植物細胞組織在線連續攪拌式光生物反應器培養。
本發明更加連續化，自動化，將細胞濃度及pH的變化與營養源供給整合到一個系統中，克服了營養源供給超前及滯後細胞生長需要的限制，實現了真正意義的實時在線自動營養源供給。本發明通過細胞濃度探頭和pH探頭獲得的數據準確可靠，所檢測到的數據可以直接指導控制器通過改變營養源供給的比例或速率來提高細胞的產量和活性，非常適合大規模工業化培養陸地與海洋植物細胞和組織的要求，可大大提高整個生產過程中的自動化水平。本發明的重要意義在於，實踐了通過實時在線監測細胞濃度變化來自動調控營養源供給的反應器設計理念，為科研及工業大規模自動化生產提供了簡便可行的作業系統。所用反應器參數可精確控制營養源供給的比例和速度，使細胞濃度維持在理想水平，為下遊分離純化質量均一產品提供高質量細胞，同時極大減少了細胞汙染機率並節約了生產成本。
圖1為本發明結構示意圖具體實施方式
如圖1所示，本發明包括氮源濃縮液罐1、磷源濃縮液罐2、輔助添加劑濃縮液罐3、氮源泵4、磷源泵5、輔助添加劑泵6、基礎培養液罐7、控制器8、基礎培養液泵9、細胞濃度探頭10、pH探頭11、光生物反應器12、流出液罐13，氮源濃縮液罐1、磷源濃縮液罐2、輔助添加劑濃縮液罐3、氮源泵4、磷源泵5、輔助添加劑泵6、基礎培養液罐7、基礎培養液泵9、流出液罐13通過矽膠管依次相連，氮源泵4、磷源泵5、輔助添加劑泵6通過數據線與控制器8相連，細胞濃度探頭10、pH探頭11設在光生物反應器13內。
所述的細胞濃度探頭10、pH探頭11通過數據線與控制器8相連。
所述的細胞濃度探頭10、pH探頭11實時不間斷的將細胞濃度及pH變化的數據傳輸到控制器8。
所述的控制器8將上傳的細胞濃度及pH數據轉化為向氮源泵4、磷源泵5、其他輔助添加劑泵6所發放的相應指令。
所述的氮源泵4、磷源泵5、輔助添加劑泵6依據控制器8發放的指令或開放或關閉。
所述的控制器8，是將細胞濃度值轉換成所需營養源的比例及添加速度。
所述的細胞濃度探頭10，在其內的可見光區直接讀出周圍培養液中的細胞濃度。
權利要求
1.一種植物在線自動營養源供給光生物反應器培養系統，包括氮源濃縮液罐(1)、磷源濃縮液罐(2)、輔助添加劑濃縮液罐(3)、基礎培養液罐(7)、基礎培養液泵(9)、光生物反應器(12)，其特徵在於，還包括氮源泵(4)、磷源泵(5)、輔助添加劑泵(6)、控制器(8)、細胞濃度探頭(10)、pH探頭(11)、光生物反應器(13)，氮源濃縮液罐(1)、磷源濃縮液罐(2)、輔助添加劑濃縮液罐(3)、氮源泵(4)、磷源泵(5)、輔助添加劑泵(6)、基礎培養液罐(7)、基礎培養液泵(9)、流出液罐(13)通過矽膠管依次相連，氮源泵(4)、磷源泵(5)、輔助添加劑泵(6)通過數據線與控制器(8)相連，細胞濃度探頭(10)、pH探頭(11)設在光生物反應器(13)內。
2.根據權利要求1所述的植物在線自動營養源供給光生物反應器培養系統，其特徵是，所述的細胞濃度探頭(10)、pH探頭(11)通過數據線與控制器(8)相連。
3.根據權利要求1所述的植物在線自動營養源供給光生物反應器培養系統，其特徵是，所述的細胞濃度探頭(10)、pH探頭(11)實時不間斷的將細胞濃度及pH變化的數據傳輸到控制器(8)。
4.根據權利要求1或2或3所述的植物在線自動營養源供給光生物反應器培養系統，其特徵是，所述的控制器(8)將上傳的細胞濃度及pH數據轉化為向氮源泵(4)、磷源泵(5)、輔助添加劑泵(6)所發放的相應指令。
5.根據權利要求1或2或3所述的植物在線自動營養源供給光生物反應器培養系統，其特徵是，依據所述的控制器(8)，氮源泵(4)、磷源泵(5)、輔助添加劑泵(6)發放的指令或開放或關閉。
6.根據權利要求1或2或3所述的植物在線自動營養源供給光生物反應器培養系統，其特徵是，所述的控制器(8)，是將細胞濃度值轉換成所需營養源的比例及添加速度。
7.根據權利要求1或2或3所述的植物在線自動營養源供給光生物反應器培養系統，其特徵是，所述的細胞濃度探頭10，在其內的可見光區直接讀出周圍培養液中的細胞濃度。
全文摘要
一種用於生物技術領域的植物在線自動營養源供給光生物反應器培養系統，本發明包括氮源濃縮液罐、磷源濃縮液罐、輔助添加劑濃縮液罐、氮源泵、磷源泵、輔助添加劑泵、基礎培養液罐、控制器、基礎培養液泵、細胞濃度探頭、pH探頭、光生物反應器、流出液罐，氮源濃縮液罐、磷源濃縮液罐、輔助添加劑濃縮液罐、氮源泵、磷源泵、輔助添加劑泵、基礎培養液罐、基礎培養液泵、流出液罐通過矽膠管依次相連，氮源泵、磷源泵、輔助添加劑泵通過數據線與控制器相連，細胞濃度探頭、pH探頭設在光生物反應器內。本發明使各營養源比例精確調控，實現植物細胞生長實時在線監測、自動調節營養源供給的要求。
文檔編號C12M1/42GK1696275SQ200510026199
公開日2005年11月16日 申請日期2005年5月26日 優先權日2005年5月26日
發明者孫海英, 齊瀚實, 耿濤, 董良, 郭雅靜 申請人:上海交通大學