植物组培瓶机械化清洗技术研究现状与展望

朱建锡，王 洁，傅 剑

（浙江省农业机械研究院，浙江金华 321017）

0 引言

植物组织培养作为一项新型的生物技术，因其在保护濒危和珍稀药用植物资源[1]、获得原生质体培养与体细胞[2]、提高培养物中活性成分含量[3]、研究遗传机制和环境机制等方面的优良表现[4]，目前已广泛应用到现代农业生物技术生产实践中。

随着组培技术的开发，许多濒危植物如金线莲、铁皮石斛等能够在短时间内培育出大量种苗，产生了不可估量的经济效益[5、6]。因组培瓶具有透光性好，易于植物接受光照，便于观察植株生长情况等优点，是组培过程中不可或缺的器皿。

目前，一种常见的金线莲栽培方式就是先将金线莲种苗放入组培瓶内进行育苗，待苗长大后再进行移植栽培。对金线莲种苗培养的组培瓶需要容纳各种有利于金线莲种苗发育的培养基质，种苗移栽后需要对组培瓶进行清洗以实现循环利用（图1）。

图1 组培育苗生产及组培瓶结构

1 组培瓶机械化清洗必要性分析

在金线莲、铁皮石斛、花卉及水果等种苗工厂化组培生产中，组培瓶用量巨大且要求组培瓶内外表面清洁干净。目前，组培瓶的清洗大多采用半手工半机械操作，循环利用的组培瓶在头次组培后部分培养基质会粘附在组培瓶的内壁上，需要人工将废弃的培养基抠出（如不能及时进行清洗，培养基硬化粘连后将更难清洗）或者先把组培瓶浸泡一段时间，然后搅动倒掉瓶内组培残留物和营养液，再人工把瓶套到带刷子的电动转轴上，手拿住瓶子洗刷，最后再用清水喷淋洗净，工作量大（小规模的种苗供应基地，一周基本上有1.8万个组培瓶需要清洗）、强度高且效率极低，一个工人一天只能清洗600（冬季）～1 000（夏季）个组培瓶。

同时，在毛刷清洗过程中容易掉毛或断毛且有死角，再加上组培瓶为窄口瓶，毛刷塞入后依靠弹性与瓶壁接触，没有足够的刷力将粘连的基质去除，洁净程度很难达到要求。而且，不管是人工清洗还是采用半自动毛刷清洗机都避免不了双手浸泡在水中以及水滴飞溅，尤其是在冬季潮湿冰冷的环境中工作，严重影响工人健康（图2）。

图2 组培瓶人工清洗

由此可见，对现有的清洗技术进行进一步的改进和优化，对组培瓶内外壁机械化、自动化清洗关键技术进行研究，研发自动化程度高，清洁度高，节能环保的组培瓶内外壁清洗设备并进行应用示范，对组培技术的推广与发展以及农业生产具有深远的意义。

2 表面清洗技术国内外研究现状

近年来，国内外学者对物体表面清洗机理及相关设备开发做了多方面的研究，根据清洗工况和应用场合，相关的研究主要有水射流清洗技术和超声波清洗技术。

2.1 水射流清洗技术

水射流清洗技术是近年来发展起来的一门应用性学科，是一种利用水泵将水流动能聚集于喷嘴处使水流以高速射流的形式喷射出来以完成污垢去除的技术，具有低成本、高效率、节能环保、应用范围广等优点[7]。

董鹏等对高压水清洗成套设备中喷嘴、喷头的类型及结构进行了介绍，通过分析喷嘴、喷头性能参数（孔径、长度、转速、孔形、角度等）在不同的应用工况下对清洗效果的影响及常见问题，给出了喷嘴、喷头的选用原则（高压水清洗喷嘴、喷头的选用）[8]。王丽萍、王迪等采用Fluent、ANSYS等计算机仿真软件对水射流清洗机构的关键工作参数进行了有限元分析和仿真，并搭建了清洗测试试验台，分析了不同靶距和入射角对射流打击力的影响以及研究了靶面的变形量和应力变化规律[9、10]。任小增、陈明等[11、12]对高压水射流扇形喷嘴的结构参数和喷嘴内的湍流流动进行了数值模拟，研究了喷嘴入口直径、收缩角、出口扩散角及喷射角度对喷嘴内速度场、压力场的分布规律并探讨了扇形喷嘴的结构参数对其内部射流压力分布和射流速度等射流参数的影响，得到了射流变化规律和流动特性。

2.2 超声波清洗技术

20世纪50年代，科学家发现足够能量与合适频率的超声波具有表面洗涤效应[13]。超声波清洗机通过电源驱动换能器工作，将电能转化为机械振动，通常使用压电陶瓷材料作为换能器。当电流施加在陶瓷上时，会引起其振动。机械振动通过换能器传导到清洗槽或管道的外壁，使其产生相应的振动。超声波与液体介质相互作用会产生一系列效应。其中，“空化效应”指液体中形成微小气泡，然后迅速坍缩产生冲击波，破坏附着在被清洗物表面的污垢；“剪切效应”指液体中微粒因振动而产生剧烈摩擦和碰撞，进一步分解污垢；“活化效应”指超声波对液体中物质分子的运动产生作用，加速清洗过程。通过超声波的作用，被清洗物表面的附着污垢被破坏并脱离。超声波的高频振动能够进入微小间隙和细小缝隙，实现全面彻底的清洁效果[14]。

郑仁杰等以超声清洗的实际应用为例，详细介绍了超声清洗技术的应用背景和发展情况[15]；庞昊斐等通过建立空化泡的动力学模型，数值模拟了环境温度、声压幅值、超声频率和超声振幅对清洗区空化泡动力学特性的影响，研究表明不同温度下空化泡的动力学特性相似[16]；王刚等通过对超声清洗工艺参数的优化，找到了能够有效去除元件表面有机和无机污染物的较佳超声清洗工艺[17]；吴强等为探究深水环境的超声清洗机理，讨论了环境压力对空泡溃灭时的气泡最大半径、释放能量以及溃灭功率等因素的影响[18]。

3 组培瓶清洗设备研究现状

目前，国内已有多家公司研发了啤酒瓶、注射瓶、西林瓶等玻璃瓶的自动化清洗罐装生产线，但几乎没有组培瓶的全自动清洗设备产品的相关报道。对组培瓶清洗设备的研究也主要是在公开专利上，通过总结归纳，其中具有代表性的相关研究主要有：

陈意设计了一种半自动组培瓶清洗机，该清洗机通过电机的多级传动带动设有螺旋叶片的搅动棒和清洗毛刷旋转[19]；张天进设计的组培瓶清洗装置首先通过可自转的水管并利用水管上端喷水冲散残余在培养瓶内的培养基，然后通过绞龙将培养基绞碎并从瓶口输送出，同时利用绞龙外沿的刷毛深度清洁组培瓶内腔，以完成组培瓶的清洗[20]；在2021年授权的专利中，张天进通过在水管上段的侧部设置硬质和软质两段螺旋刷毛对之前的专利进行了改进，硬质刷毛用于将残留的培养基输送出瓶体，软质刷毛用于精洗组培瓶内腔[21]；董月松设计了一种组培瓶清洗装置[22]，该装置采用理瓶盘和拨瓶轮对组培瓶进行输送，组培瓶进入清洗工位后先采用超声波清洗装置对组培瓶进行清洗，然后再利用纯化水对瓶体内壁和外壁进行喷淋反冲，反冲清洗后再经过洁净空气把组培瓶吹干；杜云等采用增压水管和喷淋喷嘴相结合的方式设计了一种组培瓶清洗[23]、烘干装置以实现对组培瓶内外壁的清洗。此外，该装置设有环形洗瓶台，清洗喷嘴与组培瓶同步转动，实现对组培瓶的连续清洗。

4 总结与展望

综合现有相关研究现状，我们不难发现：

1）水射流清洗技术可以完成对物体表面污垢的去除，达到清洁效果，具有低成本、高效率、节能环保、应用范围广等优点。但目前对水射流清洗技术的研究主要集中在高压水射流工业清洗领域，研究的重点主要包括高压水射流的装置性能研究及射流参数研究。因此可以参考现有高压水射流清洗技术的研究及清洗原理，进行低压水射流清洗机构研究及参数优化，应用到组培瓶内外表面清洗中。

2）超声波能破坏污垢的附着，从而使其脱离物件表面达到清洗的目的。但主要用于附着灰尘、油渍等有机物或无机物的清洗，对于块状果冻体或附着大颗粒清洗效果并不十分理想。而常见的超声清洗除垢系统大多工作在单频模式，且换能器及其匹配电抗是固定的、单一频率的匹配，整个系统只能工作在换能器的固定谐振频率下，清洗效率低。同时，由于驻波的影响，清洗系统对超声波清洗槽的设计制作，超声振子的布置要求非常高。

3）现有对组培瓶清洗设备的研发还主要停留在半自动设备上，需要人工将组培瓶从周转筐中取出。主要采用喷嘴喷淋机构和旋转毛刷清洗机构对组培瓶内壁进行清洗，对组培瓶外表面的清洗研究较少。

总而言之，根据实地查看清洗车间，为提高清洗效果、效率，对喷淋和毛刷清洗机组在结构，参数的优化等方面还有待更加深入的研究。同时，也需要增加自动上瓶装置和自动码瓶装置，研发全自动组培瓶内外壁清洗机。