植物生物技术论文第七篇：植物组织培养生产智能化的应用意义
摘要：指出了经多年的实践,组织培养可以实施智能化生产。工厂化组培生产过程中的培养基配置和灌装,种苗的日常检查、室内环境控制、培养工厂内部的物品运输、瓶苗的上下培养架等都可以实现智能化操作。甚至随着接种机器人的研制成功,组培生产中最费人工的切苗生产,也可以实现智能化。而组培生产后期,温室炼苗过程中的光照、温度、湿度、水肥等的控制在20世纪90年代已实现了智能化控制。组织培养生产实施智能化,应有一个前提:标准化。只有将培养基配置和灌装、种苗的日常检查、室内环境控制、培养工厂内部的物品运输、瓶苗的上下培养架,包括瓶苗的切割在大数据的支持下形成一个标准控制系统,才能实现智能化。
关键词：组织培养; 智能化; 应用前景;
1 引言
植物组织培养是在一定的场所和环境下,人为提供一定的温度、光照、湿度、营养、激素等条件培养植物的技术,极利于高度集约化和高密度工厂化生产,也利于自动化控制生产。随着农业现代化的逐步推进,该技术的作用越来越突显。
随着国外劳动力等成本的上升,外资和国内很多企业在中国建造了不少组织培养工厂,几十年来,经过曲折发展,组培技术在中国已进入成熟阶段。但是组培生产尚未实现机械化与自动化,仍以人手工操作为主,存在污染率高、速度慢、劳动强度大、成活率低、生产成本高等问题[1]。据统计,发达国家的劳动力成本占组培生产总成本的60%～70%,使组培产业在成本与效益的维持上出现困难[2]。随着我国劳动力成本的上升,组培行业劳动密集型的缺点制约其发展,在发达地区,组培行业已出现季节性用工难和用工荒的问题。由于组织培养在我国发展的时间比较短,即使是现有的组织培养工厂,其自动化水平低,信息的采集和处理大部分是人工完成。即使有管理系统,其应用主要是在环境控制方面。虽然,组培产业发展比较晚,自动化、信息化程度还很低。但是,当前新一轮科技革命和产业变革与我国加快转变经济发展方式形成历史性交汇,国际产业分工格局正在重塑。组培行业必须抓住机遇,需要有创新。大规模组培生产智能化势在必行。
2 组培生产智能化的应用前景
2.1 组培生产标准化是智能化的前提
组织培养生产产业化,已是许多组培工厂采取的运行模式。而众所周知,组培生产的产品,不论是药用的,如石斛。农业生产用的,如马铃薯。花卉生产上运用更多的,如非洲菊,勿忘我,玉簪,矾根等,林业上抗盐碱的榆树,杨树。它们在培养基的配方上,光照,温度,继代培养天数上有较大的差异。因此,生产过程中产生的各种数据、信息等通过大数据集成,形成标准的智能化管理系统。实际生产中,只需在管理端输入所需要生产的品种,这个品种的生产流程,所需要的环境等自动开始调节。并可以留有和企业的人力资源管理、财务管理等系统对接的端口,形成组培生产智能化管理系统。
2.2 组织培养工厂生产过程
组织培养工厂生产过程包括培养瓶清洗,培养基配置和灌装,培养基消毒灭菌,接种,培养瓶进出培养室,培养瓶上下培养架。这些工作现今大多数采用人工的形式,或者半机械的形式。劳动效率,资源利用率相对于大田生产来比,是比较高,如果借鉴现已经比较成熟的工业技术,如物流的智能化、药厂的GMP管理等可大大提高生产效率。
2.2.1 培养瓶的清洗
智能化的清洗和烘干,是保证组培污染率高低的第一道防线和重要手段。通过清洗系统的清洗和比照,可以保证培养瓶的清洁度。
2.2.2 培养基的配置和灌装
智能化的培养基配置和灌装,可以99%以上保证药品在培养基中的浓度。避免漏加和错加药品的事故发生。通过智能化的灌装,培养基中的所有药品在每一瓶中浓度相同,培养基的保证培养苗的生长一致性,提高培养苗的商品率。
2.2.3 培养瓶进出培养室
组培工厂内,通过智能化物流,有效解决培养瓶进出培养室,培养瓶上下培养架。当今,人工搬运模式下,培养架最高在2～3 m,有5～7层培养空间(图1)。(实际超过2.5 m,一般就需要借助机械)。在智能模式下,有搬运机器人的参与,培养架可增加到4～5 m甚至更高,培养空间10层以上(图2)。智能模式下,培养室处于较封闭环境,只需要留有人员检修的必要通道。培养室空间利用率可增加200%～300%。资源和土地的利用率大大提高。
图1 人工模式下培养架的高度
图2 智能模式下的培养架
2.3 培养苗的日常检查,是组培生产中的重要环节
由于组织培养的特殊性,培养苗的检查,人工检查的可信度比较高。恰恰是人的因素,可控信和效率,人的精神状态,专业素质,劳动时间都会决定检查的质量好坏和效率的高低。组培苗的日常检查在智能机器人的检查下,不会受人为因素控制,也不受环境影响,全天候检查培养苗的状态并能及时反馈给管理人员。
2.4 组织培养中最关键的步骤
(继代培养主要的操作步骤包括:自培养室搬运培养瓶至操作间;将培养瓶放置于工作台上;利用液体酒精、灭菌器等消毒培养瓶表面、镊子与手术刀等工具;打开培养瓶;镊子深入瓶中,取出材料,放置在超净台的专用切板或盘内,然后用手术刀进行分割作业;将装有继代培养基的新培养瓶放在工作台上;用镊子进行移植作业;新培养瓶移植完成后加盖并写或贴上标签。 继代培养作业往往需要多次重复进行,工作环境相对较差(空间密闭、湿度较高等),组培苗的切割移植作业单调乏味、工作量大,需要投入大量的人力和时间。通过图3和图4就可以看出,即使是兢兢业业的员工,需要1年多才能成为一个组培能手。继代培养机器人可维持生产的一致性和高质量,降低污染水平,消除人工操作可能产生的错误、提升产品竞争能力。
通过图5可以看出,即使是优秀员工,污染率仍然不可控。
2.5 温室炼苗
组培生产的产品形态一种是组培瓶苗,这种形态主要用于出口。更多时候,需要将瓶苗离开组织培养室,从组培瓶中脱离出来,植于特殊的基质中,并在特定的光照、温度、湿度条件,进行炼苗,又称之组培苗复壮。这一程序是组培苗生产中极为重要的一环。然而由于这环节失误造成损失甚至全军覆没的先例并不少见。这种失误往往是由于人为造成的,如水分控制,光照控制不能根据植物的要求。智能温室是专门为农业温室、农业环境控制等开发生产的智能控制系统,可以很大程度上解决这个问题。国外运用自动化来生产花卉的技术已经非常成熟(图6)。国内在这方面也在赶超(图7)。将自动化控制系统应用于温室当中,使得温室内大气、土壤、光照、 CO2 浓度、风向、风速等参数的采集更加准确,从而模拟出最适合的温室内植物生长的环境,再通过控制系统对数据进行分析之后,由一些控制器来进行自动化控制,从而调节到适合植物生长的环境[3]。
图3 员工甲从新手到熟手的日平均产量
图4 员工乙从新手到熟手的日平均产量
图5 员工甲和乙的月平均污染率
3 讨论
3.1 组培生产过程中部分生产过程采用智能化仍存在难点
组织培养过程中继代、生根的切割需要精细处理,如果智能化,还需要不断的摸索。国外,如日本Kurata K介绍了一种组培机器人,该系统安装在无菌操作台内,包括切割与移植机械手臂、培养瓶供应及输出装置、激光切割刀、消毒系统、图像处理装置和控制单元等,应用于菊花、西红柿组培苗的继代培养[4]。国内邵东、程大鹏等开发了马铃薯组培苗接种机器人信息管理系统[5]。随着工业智能化、信息化的水平不断提高,智能化接种机器人能够在组培生产中得到运用。
图6 荷兰非洲菊切花采收自动化程度
3.2 组培生产智能化实施的过程是一个循序渐进的过程,不可能一步到位
组培室内外环境条件的控制,智能化可现行、先试。而全流程智能化需要充分评估和计划组培工厂内数据的收集,应充分利用企业生产过程中大量数据的累积并深入分析和挖掘,政府、科研院所、企业共同研究,打造完整的组培生产全过程的智能化管理系统。
图7 国内温室自动化育苗生产线
3.3 规模化是实施组培生产智能化的前提
组培生产的品种达成百上千个。陈权、陈慧兰就黑果枸杞提出了组培种苗工厂化技术[6]。倪燕妹等研究了小天使满绿绒组织培养工厂化育苗技术[7]。刘静雯等提出了铁皮石斛同源四倍体工厂化快繁工艺[8]。只有找出适合规模化、智能化生产的品种,智能化才能保证劳动效率提升,成本下降。
参考文献
[1]杨丽琴,李瑞,王俊,等.植物组织培养的三大难题[J].北方园艺,2008(4):104～107.
[2]杨丽,张铁中.组培苗自动化生产技术的研究进展[J].农机化研究,2006(10):25～28.
[3]李娜,孔德志.智能化温室控制的现状与发展趋势[J].科技视界,2016(4):228,259.
[4] T.Gichner.Aitkin-Chistie,J.,Kozai,T.,Smith,M.A.L.(ed.):Automation and environmental control in plant tissue culture[J].Biologia Plantarum,1995,37(3):328.
[5] 邵东,程大鹏,辜松,等.马铃薯组培苗接种机器人信息管理系统的研究与实现——基于Web[J].农机化研究,2017,39(1):101～105.
[6] 陈权,陈慧兰.黑果枸杞组培种苗工厂化生产技术[J].上海农业科技,2018(5):81～82.
[7] 倪燕妹,黄梅花,蔡玉兰,等.小天使蔓绿绒组织培养工厂化育苗技术研究[J].中国热带农业,2019(1):58～61.
[8] 刘静雯,梁晖辉,卢富华,等.铁皮石斛同源四倍体工厂化快繁工艺研究[J].西北植物学报,2018,38(10):1927～1935.
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