[实用新型]气升式周期浸没光照植物细胞组织器官培养反应器

说明书

本实用新型涉及一种植物细胞、组织和器官培养反应器，特别是涉及一种适于大规模生产用的气升式周期浸没光照植物细胞、组织和器官培养的反应器。

植物细胞培养生物反应器已研究较多，主要分为机械搅拌生物反应器、非机械搅拌生物反应器、鼓泡塔及气升式生物反应器，填充床生物反应器，流化床生物反应器，膜生物反应器等(陈英良等“细胞培养工程”，华东化工学院出版社，1992年，上海P285-294)。由于植物细胞、组织和器官有很多不同于动物细胞及微生物的特点，如需氧量较少，细胞对剪切力耐受性差，细胞体积大等，所以对植物细胞培养生物反应器提出了不同的要求。其中机械搅拌式反应器的高剪切特性容易对细胞造成损害，必须对搅拌器加以改进，减小搅拌过程中的剪切力，才能用于植物细胞和组织等培养(邢建民等，生物工程进展，1997,17(5),P49-53)。流体剪切力对植物细胞有两方面的作用。其一是增加通气，保持良好的混合状态及细胞分散性等，其二是在大多数情况下则对细胞有机械损伤，改变细胞形态，影响胞内化合物释放，改变代谢，影响产率，使细胞丧失活性等，因此研究开发新型的适用于各类植物细胞培养的生物反应器已成为各国生化工程学家努力的方向(曹孟德等，生物工程进展，1996,16(4),P51-53)。至于植物器官、组织比植物细胞大几十倍甚至上百倍。这些器官和组织主要包括：丛生芽、毛状根(发根)、体细胞胚、幼苗等。由于这些组织、器官的特殊形态，在培养过程中流动性差，易堆积，对剪切力更敏感，长期浸没更易产生玻璃化和变异，因此，相对于植物细胞，在反应器内实现大规模培养就更为复杂、困难。从七十年代后期开始植物细胞、组织和器官的培养较多地采用了气升式生物反应器。如文献M.A.Rodrigueg-Mendiola等(“Bioreactors for growth of plant roots”M.A.Rodrigueg-Mendiola et al.Enzyme Microb.Technol.1991,Vol.13sep.697-702)所介绍的9立升植物发根培养反应器，其结构见图1。反应器主体1由带有扩大段的耐热玻璃制成。主体内由玻璃支撑管15固定一尼龙网卷成的中心管28。在反应器内位于中心管下方，设置一烧结板气体分布器6，所需空气经进气管30进入中心管，由于中心管内外的液体表观密度差使营养液实现循环流动。反应器顶部没置一接种口25，发根种子由此接入反应器内。反应器内的气体经冷凝器2l后排出。反应器内温度由加热器19控制。在培养过程中，发根种子挂在中心网上生长，此反应器特点是解决了接种及挂在中心管上固定分布和生长，部分解决了发根堆积问题，营养液可以循环及有一定程度的混合。但由于无隔层空间大，所以并未根本解决接种的均匀性，发根生长过程的均匀分布，甚至在发根生长期间影响营养液的循环流动，从而影响混合特性和传质、传热过程，而且此类反应器属于全浸没式反应器，植物组织器官长期浸没其中会产生玻璃化现象和变异，出于反应器内未设置内部光源，对喜光照的发根培养，反应器直径的放大必然受到限制。因此，此类反应器难以放大以适应植物发根的大规模培养。又如Chun-zhao Liu,Yuchun Wang等(“Production of arthmisinin by shootcultures ofArthmisia annua Lin a modifiedinner-loop mist bioreactor”,Plant science，已接收并正在出版，1988)研究开发出2.5立升改造的内环流超声波雾化反应器。其主要结构如图2所示。此反应器主体1由耐液热玻璃制成，内置一带有孔20的中心管18，围绕中心管有三层不锈钢隔网26，在反应器底部安装一雾化头17，并与雾化器16连接，除菌空气由进气管30进入反应器底部营养液中。反应器内气体出排气口27排放，此反应器无接种装置，需将反应器放在超净台上开盖接种，使发根均匀接至各层隔网上，启动雾化器，雾化头产生超声波使液面位于中心管下方的营养液雾化，营养雾由中心管上升，经中心管孔及顶部出口进入各隔层，并沿反应器壁与中心管之间的环间下降而充满整个反应器，提供给发根、芽生长所需养分。雾化间歇进行，两次雾化之间通入无菌空气，以满足发根及芽对氧的需要。此反应器解决了发根以及丛生芽在反应器内均匀分布和生长，利用超声雾化原理产生营养雾可迅速扩散并分布均匀，间歇雾化和供气使反应器内供养充足，并避免了浸没反应器中由于植物器官组织长期被液体浸泡所带来的玻璃化和畸形化现象。但雾化反应器仍未解决接种装置，使得接种不易操作，易染菌。由于无内部光源，光分布及光强受到影响。由于雾滴细小并间歇产雾，器官表面营养液膜更新差，使得新的营养供应不足。同时气体夹带营养液雾滴易从排气口排出，造成营养液的流失。又由于产雾高度受到限制，使得雾化反应器不易放大以进行植物组织器官的大规模培养。