一种势能驱动间歇浸没式生物反应器的制作方法

本实用新型涉及一种植物组织培养用生物反应器，特别涉及一种植物组织培养用的间歇浸没式生物反应器，属于植物材料组培,植物发育技术领域。

背景技术：

间歇浸没式生物反应器(Temporary Immersion Bioreactors，TIBs)是近年来国际上新研究开发的用于植物组织培养和植物次生代谢产物研究的系统。

植物组织培养快繁技术由于能够通过外植体快速繁殖种苗，保持亲本的遗传特性、获得无病毒的种苗等特点而优越于传统的种子繁殖和种茎繁殖，从而达到技术的快速发展和充分利用。国内外对大规模液体浸没组织培养的研究众多，进行植物组织培养快繁的间歇浸没生物反应器主要有四种类型：APCS间歇完全浸没培养系统、蠕动泵驱动间歇半浸没培养系统、气泵驱动间歇浸没式生物反应器、TIBs间歇浸没式生物反应器。

APCS间歇完全浸没培养系统由4部分组成：营养液储存系统、营养液驱动系统、植物培养系统、营养液运输系统，整个系统在叶轮驱动下实现液体的定期补充和排干，节省频繁更新培养液的继代操作；蠕动泵驱动间歇半浸没培养系统为APCS系统改进，增加定时器，利用蠕动泵和时控开关达到营养液的自动化间歇性更新，对组培苗进行间歇半浸没培养；以上两种培养系统都是利用外界机械动力作为液体培养基的直接驱动力，利用控制程序实现营养液的间歇供给和排干，减少了劳动力的消耗，降低了生产成本，但是由于更换营养液耗时长，操作复杂，污染严重和空间限制问题，使得其在推广应用上受到一定程度的限制。气泵驱动间歇浸没式生物反应器有上下两个容器组成，下面的是营养液储存容器，上面的是组培苗培养容器，中间有管道相连，利用气压泵产生的气压作为液体培养基的直接驱动力，压迫液体培养基从营养液储存容器通过中心管道流入组培苗培养容器，进行培养，同时有气体的流动，实现培养容器中空气的更新，气体进入营养液储存器时，为了防止污染气体要经过0.22μm的聚四氟乙烯滤膜过滤，但是该系统体积小，构造复杂，价格高，这些条件限制了提推广应用；TIBs间歇浸没式生物反应器是一套集植物组织培养和植物次生代谢物质研究为一体的设备，利用液体培养基以经过过滤的空气压力为液体培养基的直接驱动力对植物组培苗进行间歇式的培养，主要组成部分为：组培苗培养容器、营养液的储存容器、空气压缩机、滤膜孔径为0.22μm的的针头过滤器、时控开关和电磁阀。两个容器通过硅管相连接，气体通过滤膜孔径为0.22μm的针头过滤器除菌，利用了空气压缩机的气体压力来实现营养液的供给和排干，其中间歇频率的控制由时控开关控制电磁阀来实现空气流动的时间和方向。该系统避免了由于液体培养过程中周期长而带来的玻璃化畸形和次生代谢物质的伤害，有效的防止了营养物质沉积和有害物质的积累，使组培苗可以更有效地利用培养基的营养成分，为植物在液体培养的过程中提供了良好的环境。

现有的间歇浸没式生物反应器存在如下缺点:操作复杂，污染严重和空间限制问题(例如APCS间歇完全浸没培养系统、蠕动泵驱动间歇半浸没培养系统),或体积小，构造复杂，价格高(如一体式气泵驱动间歇浸没式生物反应器)。气泵驱动间歇浸没式生物反应器每组生物反应器需独立的空气压缩泵(一泵多用时容易造成气压不均)，利用无菌空气直接对液体培养基施压。这些会造成生物反应器成本和植物材料汚染机率上升(如一体式和分体式气泵驱动间歇浸没式生物反应器)。高成本和依赖独立操作动力的生物反应器也不利于统一标准的规模化生产。

上述4种类型的生物反应器都是利用外力(机械力，气压)直接作用于液体培养基上，从而对其驱动,因此造成结构复杂，制造成本高，以及操作难，易污染等缺陷。本实用新型生物反应器的根本性不同点是在用外力改变容器的势能(位置高度)后,由地心引力定向驱动液体培养基，其优点是结构简单，操作容易,每个动力系统可以同时操作多组生物反应器，便于统一管理,从而减少操作失误和植物材料污染的机会。特别适用于规范的规模化生产。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对现有植物组织培养过程中的生物反应器存在的技术缺陷，提供一种势能驱动间歇浸没式生物反应器，本实用新型的生物反应器由至少一组升降组件和至少一组生物反应部件组成，每组生物反应部件由组培组件和液体组件和其间相连接的管道构成。组培组件和液体组件分别置于两组升降台(板)上。液体培养基在组培组件和液体组件之间的流动受控于组培组件和液体组件间相对高度的变化。本实用新型的生物反应器的是在用外力改变容器的势能(位置高度)后,依靠地心引力定向驱动液体培养基，组织培养过程中，通过每组组培组件和液体组件间相对高度的变化，使得液体培养基在组培组件和液体组件之间流动，实现对放置于组培组件内的植物材料的间歇式浸没。本实用新型的反应装置结构简单，操作容易,每个动力系统可以同时操作多组(可不同大小)的生物反应器，便于总一管理,适用于规范化的生产。

为实现本实用新型的目的，本实用新型一方面提供一种势能驱动间歇浸没式生物反应器，包括：组培组件、液体组件和第一升降组件、第二升降组件，其中：

所述组培组件用于放置待进行组织培养处理的植物材料，且植物材料在组培组件内进行组织培养；所述液体组件用于储存液体培养基；所述组培组件和液体组件之间通过连接管道相连通；

所述第一升降组件用于升高或降低组培组件；所述第二升降组件用于升高或降低液体组件，随着第一升降组件的降低或第二升降组件的升高，使得液体组件内的培养液注入组培组件；随着第一升降组件的升高或第二升降组件的降低，使得组培组件内的培养液流入液体组件，实现培养液对组培组件内的待处理材料的间歇浸没处理。

其中，所述组培组件与液体组件通过连接管道相连通，通过第一升降组件的降低或第二升降组件的升高，液体组件内的培养液通过所述的连接管道注入组培组件内；通过第一升降组件的升高或第二升降组件的降低，组培组件内的培养液通过所述的连接管道排入液体组件内，对组培组件内的植物组织进行间歇浸没处理。

特别是，所述第一升降组件保持高度不变，通过第二升降组件的升高，使得液体组件内的培养液注入组培组件；通过第二升降组件的降低，使得组培组件内的培养液流入液体组件，实现培养液对组培组件内的待处理材料的间歇浸没处理。或者，所述第二升降组件保持高度不变，通过第一升降组件的降低，使得液体组件内的培养液注入组培组件；通过第二升降组件的升高，使得组培组件内的培养液流入液体组件，实现培养液对组培组件内的待处理材料的间歇浸没处理。

其中，所述组培组件包括培养箱和培养箱支架，其中所述培养箱放置并固定在所述培养箱支架的上部。

特别是，所述培养箱用于放置植物组培材料，如植物愈伤组织，植物胚性组织或成熟体胚等；所述培养箱支架板为平板状，培养箱放置在培养箱支架板的上部，培养箱支架水平放置在第一升降组件的上部，随着第一升降组件的上升或下降，带动培养箱支架和放置在培养箱支架上部的培养箱上升或下降。

其中，所述培养箱的顶部设置有用于封闭培养箱箱体的培养箱盖，箱盖上设置有空气过滤器，对进出培养箱的气体进行过滤，防止污染。

特别是，所述培养箱的下部开设培养箱进/排液孔，进/排液孔的尺寸与所述连接管道的尺寸相匹配。

尤其是，所述进/排液孔开设在靠近培养箱的底部的位置，利于培养箱内的培养液排出完全。

特别是，所述培养箱还包括设置在箱内的内支撑盒，用于放置待处理的植物材料。

其中，所述内支撑盒的水平截面的尺寸与培养箱的水平截面的尺寸相匹配，其顶部与培养箱的顶部卡接固定，且与培养箱的顶部相齐，在同一水平面内。

特别是，所述内支撑盒的高度与所述培养箱高度之比为1/2～2/3。

尤其是，所述内支撑盒的底部设置多个液体流动孔，供培养液自由流动，自由进出内支撑盒。

特别是，待处理的植物组织放置在培养箱的内支撑盒底面，或放置在内支撑盒底面上铺设的支持层上。

特别是，所述培养箱还包括设置在箱内的支撑板，用于放置待处理的植物材料。

其中，所述支撑板的形状、尺寸大小与培养箱的水平截面的形状、尺寸大小相匹配。

特别是，所述支撑板设置在靠近培养箱底部，与培养箱底部距离一定距离。

尤其是，其顶部与培养箱的顶部卡接固定，且与培养箱的顶部相齐，在同一水平面内。

特别是，所述支撑板距离培养箱底部的高度与所述培养箱高度之比为1/4～1/2。

本实用新型的植物材料可直接放置在培养箱的底部。

其中，所述液体组件包括储液箱和储液箱支架，其中所述储液箱放置并固定在储液箱支架的上部。

特别是，所述储液箱用于存放植物组织培养用培养液，例如各类液体培养基等；所述储液箱支架为平板状，所述储液箱放置在储液箱支架的上部，储液箱支架水平放置在第二升降组件的上部，随着第二升降组件的上升或下降，带动储液箱支架和放置在储液箱支架上的储液箱上升或下降。

其中，所述储液箱的顶部设置有用于封闭储液箱箱体的储液箱顶盖，储液箱顶盖上设置有储液箱空气过滤器，对进出储液箱的气体进行过滤，防止污染。

特别是，所述储液箱的下部开设储液箱进/排液孔，储液箱进/排液孔的尺寸与连接管道的尺寸相匹配。

其中，所述第一、第二升降组件选择升降平台或升降机，优选为升降平台。

特别是，所述升降台选择电动升降平台、液压升降平台、气压升降平台等外力机械系统。

升降组件设置在地面或实验台或无菌工作间内。通过自动化控制或人工控制升降组件的升降高度、升降速度、升降时间或升降时机。通常采用计算机应用程序指令来精确控制或在紧急情况下由人工来操控升降组件的升降。

升降控制组件通过导线一端与升降组件相连接，另一端与计算机相连接，将计算机的指令信号通过导线传递给升降控制组件，由升降控制组件将指令信号通过导线控制升降组件的上升、下降或保持高度不变。

升降控制组件包括控制器、电脑和导线。控制器为本领域中现有的已知的可以控制升降平台或升降机上升或下降的设备，例如电动开关等。

与现有技术相比，本实用新型的间歇浸没式生物反应器具有如下优点和好处：

1、本实用新型的生物反应器结构简单，组培组件和液体组件之间通过管道相连通，形成一个封闭的系统，操作时整体使用以减少汚染机率；降低植物组培生产成本，提高增殖系数，减少生产劳动操作(主要为继代接种)。

2、本实用新型的生物反应器操作容易:组培组件和液体组件放置在升降台(板)上，与动力系统分离，而且彼此独立，易于操作，液体培养基浸没植物材料的时间、频率等影响植物组培的培养条件可以精确控制，提供植物组培的效率；

3、本实用新型的生物反应器中控制升降组件升降的动力系统可以同时操作多个升降组件，从而控制多个组培组件和液体组件的升降，提高植物组培的效率。

4、本实用新型的生物反应器中，因为培养液是在其自身重力的驱动下从高处流向低处，因而同一升降组件上可以设置多个大小相同或不同的组培组件和液体组件，同时实现多个或多种不同的组织培养处理。

5、本实用新型的生物反应器中，使用多个不同或相同的组培的组培组件和液体组件便于统一管理,适用于规范生产。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的间歇浸没式生物反应器结构示意图；

图2为本实用新型的培养组件的结构示意图；

图2A为图2沿A-A线剖视图；

图3为本实用新型液体组件的结构示意图；

图4为本实用新型的间歇浸没式生物反应器的储液箱向培养箱注入培养液的工作状态的示意图；

图5为本实用新型的间歇浸没式生物反应器的培养箱向储液箱排出培养液的工作状态的示意图；

图6为本实用新型实施例1A的间歇浸没式生物反应器结构示意图；

图6A为本实用新型实施例1B的间歇浸没式生物反应器结构示意图；

图6B为本实用新型支撑板的结构示意图；

图7为本实用新型实施例2的间歇浸没式生物反应器结构示意图；

图8为本实用新型实施例3的间歇浸没式生物反应器结构示意图。

附图标记说明

1、培养组件；11、培养箱；12、培养箱支架；13、培养箱盖；14、空气过滤器；15、培养箱进/排液孔；16、内支撑盒；17、液体流动孔；18、支撑板；2、液体组件；21、储液箱；22、储液箱支架；23、储液箱顶盖；24、储液箱进/排液孔；3、第一升降组件；4、第二升降组件；5、连接管道。

具体实施方式

下面通过具体实施方式来进一步描述本实用新型的有益效果，这些实施方式仅是范例性的，并不对本实用新型的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本实用新型的结构思路、使用范围下可以对本实用新型技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本实用新型的保护范围内。

实施例1

如图1所示，本实用新型的间歇浸没式生物反应器包括组培组件1、液体组件2、用于升高或降低组培组件的第一升降组件3、用于升高或降低液体组件的第二升降组件4，组培组件安装在第一升降组件的上部；液体组件安装在第二升降组件的上部。组培组件与液体组件通过连接管道5相连通，通过第一、第二升降组件的升高或降低，将存放于液体组件内的培养液输送至组培组件内，或将组培组件内的培养液排出并输送至液体组件内，对组培组件内的植物组织进行间歇浸没处理。

或者保持第一升降组件的高度不变，通过第二升降组件的升高，使得液体组件内的培养液注入组培组件；通过第二升降组件的降低，使得组培组件内的培养液流入液体组件；保持第二升降组件高度不变，通过第一升降组件的降低，使得液体组件内的培养液注入组培组件；通过第二升降组件的升高，使得组培组件内的培养液流入液体组件，实现培养液对组培组件内的待处理材料的间歇浸没处理。

如图1、2，组培组件1用于放置待进行组织培养处理的植物材料，且植物材料在组培组件内进行组织培养，包括培养箱11和用于放置并固定培养箱的培养箱支架12，培养箱支架板为平板状，培养箱放置在培养箱支架板的上部，培养箱支架水平放置在第一升降组件的上部，随着第一升降组件的上升或下降，带动培养箱支架和放置在培养箱支架上部的培养箱上升或下降。

培养箱的顶部设置有用于封闭培养箱箱体的培养箱盖13，箱盖上设置有空气过滤器14，用于消除由于液面升降而引起的培养箱内的压力差，利用空气进出培养箱，并对进出培养箱的气体进行过滤，防止污染；如图2，培养箱的中下部开设培养箱进/排液孔15，进/排液孔的尺寸与连接管道5的尺寸相匹配，连接管道与进/排液孔固定连接并密封，向培养箱内注入培养液或将培养箱内的培养液排出培养箱。进/排液孔通常开设在靠近培养箱的底部的位置，利于培养箱内的培养液排出完全。

如图2A，培养箱内部还设置有组培内支撑盒16，用于放置待处理的植物材料，即为植物材料提供支撑面(固定位置)，在需要时脱离液面。在内支撑盒底也可铺上吸水性纤维材料，从而对植物材料造成浸润的效果。内支撑盒的高度为培养箱高度1/2至2/3，内支撑盒的水平截面的尺寸与培养箱的水平截面的尺寸相匹配，其顶部与培养箱的顶部卡接固定，且与培养箱的顶部相齐，在同一水平面内；内支撑盒的底部与培养箱的底部间隔一定距离，形成培养液储存空间；内支撑盒的底部均匀设置多个液体流动孔17，供培养液自由流动，自由进出内支撑盒，实现间歇浸没待处理植物材料。

如图1、3，液体组件2用于存储液体培养基，包括储液箱21和用于放置并固定储液箱的储液箱支架22，储液箱支架为平板状，储液箱放置在储液箱支架的上部，储液箱支架水平放置在第二升降组件的上部，随着第二升降组件的上升或下降，带动储液箱支架和放置在储液箱支架上的储液箱上升或下降。

储液箱的顶部设置有用于封闭储液箱箱体的储液箱顶盖23，储液箱顶盖上设置有储液箱空气过滤器14，用于消除由于液面升降而引起的储液箱内的压力差，利用空气进出储液箱，并对进出储液箱的气体进行过滤，防止污染；储液箱的中下部开设储液箱进/排液孔24，储液箱进/排液孔的尺寸与连接管道5的尺寸相匹配，连接管道与储液箱进/排液孔固定连接并密封，向储液箱内注入培养液或将储液箱内的培养液排出到储液箱。储液箱进/排液孔通常开设在靠近储液箱的底部的位置，利于储液箱内的培养液排出完全。

组培组件的培养箱与液体组件的储液箱之间通过连接管道5相连通，当储液箱内的培养液液面高于培养箱内的液面时，储液箱内的培养液流入培养箱，浸没放置于培养箱内的内支撑盒底部上的植物材料；当培养箱内的液面高于储液箱内的液面时，培养箱内的培养液流入储液箱，原来浸没于液体培养基内的植物材料随即脱离液体培养基。

本实用新型的待处理的植物材料可直接放置在培养箱的底部,或置放于底部的铺垫上。

第一、第二升降组件选择升降平台，优选为电动升降平台。

本实用新型的升降组件设置在地面或实验台或无菌工作间内，本实用新型具体实施方式部分以电动升降平台为例进行说明，除了电动升降平台之外，其他如液压升降平台、气压升降平台，或人力升降平台等机械系统均适用于本实用新型。

电动升降平台通过升降控制组件(图中未示出，例如电动开关)控制升降平台的上升或下降，升降控制组件通过导线与计算机连接，将计算机的控制信号传输给升降控制组件，控制升降组件的上升或下降或保持高度不变。

第一升降组件可以固定高度，升降控制组件控制第一升降组件不升高、不降低，保持第一升降组件高度不变，仅仅控制第二升降组件升高或降低，或者升降组件控制第二升降组件不升高/降低，保持第二升降组件高度不变，第二升降组件固定一定的高度后，仅仅控制第一升降组件降低或升高，使得液体组件的储液箱内的培养液注入培养箱或将培养箱内的培养液注入储液箱。

第一、第二升降组件的升降高度，升降速度以及升降时间通过升降控制组件(图中未示出)精确控制。升降控制组件接受计算机程序指令或由人工操控。本实用新型实施例中升降控制组件选择电动控制开关，本实用新型中的升降控制组件除了电动开关之外，其他本领域中现有的已知的可以控制升降平台或升降机上升或下降的设备均适用于本实用新型。

升降控制组件包括：电脑，控制器以及连接电脑和控制器的导线。根据处理植物材料的操作条件，在电脑中输入相应的参数，由电脑软件控制升降台升降的方向，距离(高度)，速度和停止时间等。电脑信号经控制器送给带电机的升降台从而完成指令。

升降控制组件通过导线与计算机相连接，按照计算机中相应的控制参数精确控制升降组件升降平台的升降高度，升降速率和升降起始时间，精确控制液体培养基的浸没时间，实现对植物材料的精确组培处理。

本实用新型间歇浸没式生物反应器的工作原理如下：

1、如图1，调节第一、第二升降组件处于相同高度，将培养箱支架、储液箱支架分别水平放置于第一、第二升降平台上，将培养箱放置并固定在培养箱支架上，将储液箱放置并固定在储液箱支架上；培养箱与储液箱通过连接管道相连通；

2、通过升降控制组件调节第一、第二升降组件的相对高度，随着第二升降组件的高度高于第一升降组件的高度，培养箱内的液面低于储液箱内的培养液液面时，储液箱内的培养液流入培养箱，浸没培养箱内的待处理植物组织，直至培养箱与储液箱内液面相一致，如图4；

3、待浸没一定时间后，通过升降控制组件调节第一、第二升降组件的相对高度，随着第二升降组件的高度低于第一升降组件的高度，培养箱内的液面高于储液箱内的培养液液面时，培养箱内的培养液流入储液箱，浸没于液体培养基内的植物组织不在浸没于液体培养基内，停止对植物组织的浸没处理，如图5。培养箱内的植物组织脱离液体培养基，从而实现植物组织的间歇浸没。

使用间歇浸没式生物反应器进行组织培养时，先将生物反应器的组培组件的培养箱、内支撑盒和液体组件的储液箱高温灭菌，然后置于超净工作台。在无菌的条件下向内支撑盒里放置待培的植物材料,在储液箱内倒入适量的液体培养基，完成后盖好容器盖。将组培组件和液体组件分别置于第一和第二组升降台上，中间相连的胶管应保持适当的长度。

组培组件和液体组件放置并固定好后,输入用于控制第一、第二升降台组件相对升降运动的相应的计祘机程序。随着第一、第二升降组件的下降或上升，使得第二升降组件上的液体组件的高度高于第一升降组件上的组培组件的高度，液体培养基由于重力的作用从储液箱流向培养箱，从而完成对植物材料的浸泡。反之，随着第一、第二升降组件的上升或下降，使得第二升降组件上的液体组件的高度低于第一升降组件上的组培组件的高度，液体反向流入储液箱，从而使植株材料脱离液体。这个过程重复的时间，速度，次数均受控于计算机指令。也可控制第一升降台(组)的运动，或两组升降台的运动改变储液箱和培养箱的相对高度，从而控制液体流向。

实施例1A

除了组培组件的培养箱内不含有内支撑盒，待处理植物材料直接放置在培养箱的底部之外，其余与实施例1相同。如图6。

实施例1B

在培养箱内部除了设置内支撑盒之外，还可以用支撑板18替代内支撑盒，支撑板设置在培养箱的中下部，其形状、大小尺寸与培养箱的水平截面的形状、大小尺寸相适应，支撑板的设置高度距离培养箱底部一定距离，例如距离培养箱底部的高度与培养箱的高度之比为1/4-1/2。如图6B，支撑板上均匀设置多个液体流动孔17，供培养液自由流动，自由通过支撑板，实现间歇浸没待处理植物材料。

除了组培组件的培养箱内的内支撑盒由支撑板替代，待处理植物材料直接放置在培养箱的支撑板上之外，其余与实施例1相同。如图6A。

实施例2

如图7所示，培养箱支架12上放置多个(例如2个)培养箱；储液箱支架板22上放置多个(例如2个)储液箱；培养箱与储液箱的个数相一致，且培养箱与储液箱向对应，形成多组(例如2组)培养-储液箱组，每组培养-储液箱组内培养箱与储液箱之间通过连接管道相连通。

如图6所示，第一升降组件选择1个升降平台(优选为电动升降平台)；第二升降组件选择1个升降平台(优选为电动升降平台)。培养箱支架12水平放置并固定在第一升降组件的2个升降平台上；储液箱支架22水平放置在第二升降组件的2个升降平台上。

实施例3

如图8所示，培养箱支架板12上放置多个(例如4个)培养箱；储液箱支架板22上放置多个(例如4个)储液箱；培养箱与储液箱的个数相一致，且培养箱与储液箱向对应，形成多组(例如4组)培养-储液箱组，每组培养-储液箱组内培养箱与储液箱之间通过连接管道相连通。

如图7所示，第一升降组件选择多个(如2个)升降平台(优选为电动升降平台)；第二升降组件选择多个(如2个)升降平台(优选为电动升降平台)。培养箱支架12水平放置并固定在第一升降组件的2个升降平台上；储液箱支架22水平放置在第二升降组件的2个升降平台上。

通过升降控制组件控制第一升降组件的多个升降平台同时上升或下降或通过升降控制组件控制第二升降组件的多个升降平台同时上升或下降，或者通过升降控制组件控制第一升降组件上升同时控制第二升降组件下降，或者通过升降控制组件控制第一升降组件下降同时控制第二升降组件上升，使得培养箱与储液箱内的液面高度不一致，使得培养液在培养箱和储液箱之间流动，实现对培养箱内的待处理植物组织的间歇浸没。