植物組培瓶機(jī)械化清洗技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望

朱建錫，王 潔，傅 劍

（浙江省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，浙江金華 321017）

0 引言

植物組織培養(yǎng)作為一項(xiàng)新型的生物技術(shù)，因其在保護(hù)瀕危和珍稀藥用植物資源[1]、獲得原生質(zhì)體培養(yǎng)與體細(xì)胞[2]、提高培養(yǎng)物中活性成分含量[3]、研究遺傳機(jī)制和環(huán)境機(jī)制等方面的優(yōu)良表現(xiàn)[4]，目前已廣泛應(yīng)用到現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生物技術(shù)生產(chǎn)實(shí)踐中。

隨著組培技術(shù)的開發(fā)，許多瀕危植物如金線蓮、鐵皮石斛等能夠在短時間內(nèi)培育出大量種苗，產(chǎn)生了不可估量的經(jīng)濟(jì)效益[5、6]。因組培瓶具有透光性好，易于植物接受光照，便于觀察植株生長情況等優(yōu)點(diǎn)，是組培過程中不可或缺的器皿。

目前，一種常見的金線蓮栽培方式就是先將金線蓮種苗放入組培瓶內(nèi)進(jìn)行育苗，待苗長大后再進(jìn)行移植栽培。對金線蓮種苗培養(yǎng)的組培瓶需要容納各種有利于金線蓮種苗發(fā)育的培養(yǎng)基質(zhì)，種苗移栽后需要對組培瓶進(jìn)行清洗以實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用（圖1）。

圖1 組培育苗生產(chǎn)及組培瓶結(jié)構(gòu)

1 組培瓶機(jī)械化清洗必要性分析

在金線蓮、鐵皮石斛、花卉及水果等種苗工廠化組培生產(chǎn)中，組培瓶用量巨大且要求組培瓶內(nèi)外表面清潔干凈。目前，組培瓶的清洗大多采用半手工半機(jī)械操作，循環(huán)利用的組培瓶在頭次組培后部分培養(yǎng)基質(zhì)會粘附在組培瓶的內(nèi)壁上，需要人工將廢棄的培養(yǎng)基摳出（如不能及時進(jìn)行清洗，培養(yǎng)基硬化粘連后將更難清洗）或者先把組培瓶浸泡一段時間，然后攪動倒掉瓶內(nèi)組培殘留物和營養(yǎng)液，再人工把瓶套到帶刷子的電動轉(zhuǎn)軸上，手拿住瓶子洗刷，最后再用清水噴淋洗凈，工作量大（小規(guī)模的種苗供應(yīng)基地，一周基本上有1.8萬個組培瓶需要清洗）、強(qiáng)度高且效率極低，一個工人一天只能清洗600（冬季）～1 000（夏季）個組培瓶。

同時，在毛刷清洗過程中容易掉毛或斷毛且有死角，再加上組培瓶為窄口瓶，毛刷塞入后依靠彈性與瓶壁接觸，沒有足夠的刷力將粘連的基質(zhì)去除，潔凈程度很難達(dá)到要求。而且，不管是人工清洗還是采用半自動毛刷清洗機(jī)都避免不了雙手浸泡在水中以及水滴飛濺，尤其是在冬季潮濕冰冷的環(huán)境中工作，嚴(yán)重影響工人健康（圖2）。

圖2 組培瓶人工清洗

由此可見，對現(xiàn)有的清洗技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)和優(yōu)化，對組培瓶內(nèi)外壁機(jī)械化、自動化清洗關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，研發(fā)自動化程度高，清潔度高，節(jié)能環(huán)保的組培瓶內(nèi)外壁清洗設(shè)備并進(jìn)行應(yīng)用示范，對組培技術(shù)的推廣與發(fā)展以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有深遠(yuǎn)的意義。

2 表面清洗技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對物體表面清洗機(jī)理及相關(guān)設(shè)備開發(fā)做了多方面的研究，根據(jù)清洗工況和應(yīng)用場合，相關(guān)的研究主要有水射流清洗技術(shù)和超聲波清洗技術(shù)。

2.1 水射流清洗技術(shù)

水射流清洗技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一門應(yīng)用性學(xué)科，是一種利用水泵將水流動能聚集于噴嘴處使水流以高速射流的形式噴射出來以完成污垢去除的技術(shù)，具有低成本、高效率、節(jié)能環(huán)保、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[7]。

董鵬等對高壓水清洗成套設(shè)備中噴嘴、噴頭的類型及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹，通過分析噴嘴、噴頭性能參數(shù)（孔徑、長度、轉(zhuǎn)速、孔形、角度等）在不同的應(yīng)用工況下對清洗效果的影響及常見問題，給出了噴嘴、噴頭的選用原則（高壓水清洗噴嘴、噴頭的選用）[8]。王麗萍、王迪等采用Fluent、ANSYS等計(jì)算機(jī)仿真軟件對水射流清洗機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵工作參數(shù)進(jìn)行了有限元分析和仿真，并搭建了清洗測試試驗(yàn)臺，分析了不同靶距和入射角對射流打擊力的影響以及研究了靶面的變形量和應(yīng)力變化規(guī)律[9、10]。任小增、陳明等[11、12]對高壓水射流扇形噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)和噴嘴內(nèi)的湍流流動進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了噴嘴入口直徑、收縮角、出口擴(kuò)散角及噴射角度對噴嘴內(nèi)速度場、壓力場的分布規(guī)律并探討了扇形噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)對其內(nèi)部射流壓力分布和射流速度等射流參數(shù)的影響，得到了射流變化規(guī)律和流動特性。

2.2 超聲波清洗技術(shù)

20世紀(jì)50年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)足夠能量與合適頻率的超聲波具有表面洗滌效應(yīng)[13]。超聲波清洗機(jī)通過電源驅(qū)動換能器工作，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械振動，通常使用壓電陶瓷材料作為換能器。當(dāng)電流施加在陶瓷上時，會引起其振動。機(jī)械振動通過換能器傳導(dǎo)到清洗槽或管道的外壁，使其產(chǎn)生相應(yīng)的振動。超聲波與液體介質(zhì)相互作用會產(chǎn)生一系列效應(yīng)。其中，“空化效應(yīng)”指液體中形成微小氣泡，然后迅速坍縮產(chǎn)生沖擊波，破壞附著在被清洗物表面的污垢；“剪切效應(yīng)”指液體中微粒因振動而產(chǎn)生劇烈摩擦和碰撞，進(jìn)一步分解污垢；“活化效應(yīng)”指超聲波對液體中物質(zhì)分子的運(yùn)動產(chǎn)生作用，加速清洗過程。通過超聲波的作用，被清洗物表面的附著污垢被破壞并脫離。超聲波的高頻振動能夠進(jìn)入微小間隙和細(xì)小縫隙，實(shí)現(xiàn)全面徹底的清潔效果[14]。

鄭仁杰等以超聲清洗的實(shí)際應(yīng)用為例，詳細(xì)介紹了超聲清洗技術(shù)的應(yīng)用背景和發(fā)展情況[15]；龐昊斐等通過建立空化泡的動力學(xué)模型，數(shù)值模擬了環(huán)境溫度、聲壓幅值、超聲頻率和超聲振幅對清洗區(qū)空化泡動力學(xué)特性的影響，研究表明不同溫度下空化泡的動力學(xué)特性相似[16]；王剛等通過對超聲清洗工藝參數(shù)的優(yōu)化，找到了能夠有效去除元件表面有機(jī)和無機(jī)污染物的較佳超聲清洗工藝[17]；吳強(qiáng)等為探究深水環(huán)境的超聲清洗機(jī)理，討論了環(huán)境壓力對空泡潰滅時的氣泡最大半徑、釋放能量以及潰滅功率等因素的影響[18]。

3 組培瓶清洗設(shè)備研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)已有多家公司研發(fā)了啤酒瓶、注射瓶、西林瓶等玻璃瓶的自動化清洗罐裝生產(chǎn)線，但幾乎沒有組培瓶的全自動清洗設(shè)備產(chǎn)品的相關(guān)報道。對組培瓶清洗設(shè)備的研究也主要是在公開專利上，通過總結(jié)歸納，其中具有代表性的相關(guān)研究主要有：

陳意設(shè)計(jì)了一種半自動組培瓶清洗機(jī)，該清洗機(jī)通過電機(jī)的多級傳動帶動設(shè)有螺旋葉片的攪動棒和清洗毛刷旋轉(zhuǎn)[19]；張?zhí)爝M(jìn)設(shè)計(jì)的組培瓶清洗裝置首先通過可自轉(zhuǎn)的水管并利用水管上端噴水沖散殘余在培養(yǎng)瓶內(nèi)的培養(yǎng)基，然后通過絞龍將培養(yǎng)基絞碎并從瓶口輸送出，同時利用絞龍外沿的刷毛深度清潔組培瓶內(nèi)腔，以完成組培瓶的清洗[20]；在2021年授權(quán)的專利中，張?zhí)爝M(jìn)通過在水管上段的側(cè)部設(shè)置硬質(zhì)和軟質(zhì)兩段螺旋刷毛對之前的專利進(jìn)行了改進(jìn)，硬質(zhì)刷毛用于將殘留的培養(yǎng)基輸送出瓶體，軟質(zhì)刷毛用于精洗組培瓶內(nèi)腔[21]；董月松設(shè)計(jì)了一種組培瓶清洗裝置[22]，該裝置采用理瓶盤和撥瓶輪對組培瓶進(jìn)行輸送，組培瓶進(jìn)入清洗工位后先采用超聲波清洗裝置對組培瓶進(jìn)行清洗，然后再利用純化水對瓶體內(nèi)壁和外壁進(jìn)行噴淋反沖，反沖清洗后再經(jīng)過潔凈空氣把組培瓶吹干；杜云等采用增壓水管和噴淋噴嘴相結(jié)合的方式設(shè)計(jì)了一種組培瓶清洗[23]、烘干裝置以實(shí)現(xiàn)對組培瓶內(nèi)外壁的清洗。此外，該裝置設(shè)有環(huán)形洗瓶臺，清洗噴嘴與組培瓶同步轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)對組培瓶的連續(xù)清洗。

4 總結(jié)與展望

綜合現(xiàn)有相關(guān)研究現(xiàn)狀，我們不難發(fā)現(xiàn)：

1）水射流清洗技術(shù)可以完成對物體表面污垢的去除，達(dá)到清潔效果，具有低成本、高效率、節(jié)能環(huán)保、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。但目前對水射流清洗技術(shù)的研究主要集中在高壓水射流工業(yè)清洗領(lǐng)域，研究的重點(diǎn)主要包括高壓水射流的裝置性能研究及射流參數(shù)研究。因此可以參考現(xiàn)有高壓水射流清洗技術(shù)的研究及清洗原理，進(jìn)行低壓水射流清洗機(jī)構(gòu)研究及參數(shù)優(yōu)化，應(yīng)用到組培瓶內(nèi)外表面清洗中。

2）超聲波能破壞污垢的附著，從而使其脫離物件表面達(dá)到清洗的目的。但主要用于附著灰塵、油漬等有機(jī)物或無機(jī)物的清洗，對于塊狀果凍體或附著大顆粒清洗效果并不十分理想。而常見的超聲清洗除垢系統(tǒng)大多工作在單頻模式，且換能器及其匹配電抗是固定的、單一頻率的匹配，整個系統(tǒng)只能工作在換能器的固定諧振頻率下，清洗效率低。同時，由于駐波的影響，清洗系統(tǒng)對超聲波清洗槽的設(shè)計(jì)制作，超聲振子的布置要求非常高。

3）現(xiàn)有對組培瓶清洗設(shè)備的研發(fā)還主要停留在半自動設(shè)備上，需要人工將組培瓶從周轉(zhuǎn)筐中取出。主要采用噴嘴噴淋機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)毛刷清洗機(jī)構(gòu)對組培瓶內(nèi)壁進(jìn)行清洗，對組培瓶外表面的清洗研究較少。

總而言之，根據(jù)實(shí)地查看清洗車間，為提高清洗效果、效率，對噴淋和毛刷清洗機(jī)組在結(jié)構(gòu)，參數(shù)的優(yōu)化等方面還有待更加深入的研究。同時，也需要增加自動上瓶裝置和自動碼瓶裝置，研發(fā)全自動組培瓶內(nèi)外壁清洗機(jī)。