Апарат для культивування мікроорганізмів або клітин

Изобретение относится к микробиологической, медицинской промышленности и может быть использовано для получения биомассы и продуктов биосинтеза клеток микроорганизмов, а также культур клеток животных и растений. Данный аппарат также можно использовать для культивирования филаментозных культур. При аэробном микробном синтезе используются биореакторы с интенсивным перемешиванием и аэрацией, отличающиеся высоким уровнем газосодержания, высокой относительной скоростью движения фаз и высокой интенсивностью массообменных процессов. Для культивирования культур клеток животных и растений, как правило, используют культивирование в монослое неподвижной или слабоподвижной питательной среды. В этом случае существенным недостатком является большая продолжительность культивирования и низкий выход целевых продуктов, обусловленный недостаточным уровнем массопередачи компонентов питательной среды к клеткам и неравномерностью распределения фаз. Известны конструкции аппаратов с вибрационной системой перемешивания, отличительной особенностью которых является наличие подвижного штока с закрепленными на нем жесткими перфорированными пластинами. Шток совершает возвратно-поступательное движение в вертикальной плоскости [1]. К недостаткам известных аппаратов относится ограниченная возможность их использования для культивирования культур клеток животных, растений и филаментозных культур, обусловленная высокой насыщенностью питательной среды пузырьками газовой фазой, которые в процессе подъема в толще среды претерпевают деформацию (дробление и коалесценсия), что неблагоприятно воздействует на жизнедеятельность клеток животных и растений. Большая часть биореакторов с вибрационным перемешиванием ориентирована на большие концентрации клеток микроорганизмов и, следовательно, на высокий уровень массообменных процессов, который достигается введением значительной энергии на перемешивание и аэрацию. При высокой интенсивности перемешивания в зоне перемещения перфорированных пластин возникают значительные касательные напряжения, которые отрицательно влияют на клетки, повреждая их оболочку, или приводят к повреждению гиф филаментозных культур. Наиболее близким по конструкции является аппарат для культивирования микроорганизмов [2]. Аппарат содержит цилиндрическую герметичную емкость с технологическими патрубками и размещенное в емкости устройство для перемешивания среды, включающее вертикальный шток с приводом, установленный по оси емкости с возможностью возвратно-поступательного перемещения в вертикальной плоскости, размещенные на нем по всей высоте емкости жесткие перфорированные пластины, аэратор, расположенный под нижней пластиной, диффузор с кольцевыми щелями и отбортовкой. Недостатком известного аппарата является создание при его работе высокой относительной скорости движения жидкой, газовой фаз и возникновение значительных касательных напряжений в зоне работы пластин, наличие прямого контакта пузырьков аэрируемого газа с клетками, что неблагоприятно влияет на их жизнедеятельность, вплоть до разрушения. Все это снижает выход целевых продуктов и эффективность процесса культивирования. Устранение указанного недостатка в прототипе невозможно без изменения конструкции и режимов работы. Задачей изобретения является усовершенствование конструкции аппарата для культивирования микроорганизмов или клеток, в котором путем создания соответствующего уровня относительной скорости движения взаимодействующих фаз и интенсивного транспорта растворенного газа со свободной поверхности среды в ее объем при устранении прямого контакта пузырьков аэрируемого газа с клетками достигают поддержание требуемых условий их жизнедеятельности, при которых обеспечивается смывание клеток питательной средой без их повреждения. Поставленная задача решается в аппарате для культивирования микроорганизмов или клеток, содержащем цилиндрическую герметичную емкость с технологическими патрубками и размещенным в емкости устройством для перемешивания среды, включающем вертикальный шток с приводом, установленный по оси емкости с возможностью возвратно-поступательного перемещения в вертикальной плоскости и размещенными на нем по всей высоте емкости пластинами, в котором, согласно изобретению, в верхней части емкости по всему ее сечению расположены поперечная перегородка с отверстиями, укрепленная на штоке, и размещенные под ней, в виде пакета, конические перфорированные отражательные элементы, при этом одна из пластин, верхняя, расположена между перегородкой и коническими элементами. Пластины выполнены гибкими, равномерного или переменного сечения и их диаметр составляет не более 0,5 диаметра емкости. Отверстия в перегородке выполнены в продольном сечении в виде усеченных конусов и расположены по концентрическим окружностям по всей площади перегородки с чередованием больших оснований этих конусов ввер х-вниз. Новым в предложенной конструкции является замена статического аэратора-барботера на систему динамической поверхностной аэрации. Это достигается установкой на штоке жесткой перфорированной поперечной перегородки, совершающей возвратно-поступательное движение. Для создания аэрационного эффекта аэрирующая перегородка располагается вблизи поверхности жидкости. Отличительной особенностью аэрирующей перегородки является то, что отверстия в перегородке выполнены в продольном сечении в виде усеченных конусов и расположены ею концентрическим окружностям по всей площади перегородки с чередованием обращения больших оснований этих конусов вверх-вниз. Применение конических отверстий позволяет создать дополнительную турбулизацию поверхностного слоя жидкости, усиливающую поверхностную аэрацию. Аэрирующая перегородка одновременно выполняет роль механического пеногасителя. Вторым элементом новизны является разделение всего объема аппарата на две зоны: зону локальной поверхностной аэрации и зону выращивания. Это достигается установкой пакета неподвижных конических перфорированных отражательных элементов с обращением больших оснований конусов вверх. Установка конических элементов служит для предотвращения попадания клеток в аэрационнуго зону и устранения прямого контакта клеток с пузырьками газа, а также формирования циркуляционного контура жидкости, содержащей растворенный газ и клетки. Третьим элементом новизны является применение гибких пластин равномерного иди переменного сечения, у которых имеются прорези, сегментирующие их на отдельные элементы. Прорези и переменное сечение уменьшают жесткость пластин при знакопеременном движении штока в противоположных движению направлениях и создают потоки различной интенсивности более сильный при движении вниз, менее сильный при движении вверх, что позволяет организовать направленную циркуляцию в объеме среды. Пластины имеют диаметр не более 0,5 диаметра аппарата, что обеспечивает создание пристенной циркуляционной зоны. Выбор диаметра гибких пластин определен требованием по созданию пристенной зоны для седиментации клеток. При диаметре пластины более 0,5 диаметра аппарата происходит нарушение гидродинамики циркуляционного контура. Конструкция аппарата представлена на фиг. 1, гибкой пластины - на фиг. 2. Аппарат состоит из цилиндрической герметичной емкости 1 с технологическими патрубками для подачи стерильной газовой смеси в аппарат 2, для выхода отработанной газовой смеси 3, для загрузки питательной среды и посевного материала 4, для отбора проб 5, для выгрузки содержимого аппарата 6, для подачи охлаждающей жидкости в р убашку 7, для отвода о хлаждающей жидкости из рубашки 8, фильтров для стерилизации газовой смеси 9 и очистки отработанной газовой смеси 10. Внутри емкости размещено устройство для перемешивания среды, включающее вертикальный шток 11с приводом, установленный по оси емкости с возможностью возвратно-поступательного перемещения в вертикальной плоскости и размещенные на нем по всей высоте емкости пластины 12. В верхней части емкости по всему ее сечению расположены поперечная перегородка 13 с отверстиями, укрепленная на штоке, и размещенные под ней в виде пакета конические перфорированные отражательные элементы 14, прикрепленные к стенке емкости с обращением больших оснований конусов вверх, при этом одна из пластин 12, верхняя, расположена между перегородкой 13 и коническими элементами 14. Пластины 12 выполнены гибкими, равномерного или переменного сечения и их диаметр составляет не более 0,5 диаметра емкости. Отверстия в перегородке 13 выполнены в продольном сечении в виде усеченных конусов и расположены по концентрическим окружностям по всей площади перегородки 13 с чередованием обращения больших оснований этих конусов вверх-вниз. Для обеспечения герметичности места ввода штока 11 в емкость 1 служит сильфон 15. Аппарат работает следующим образом. В аппарат после термической стерилизации подается стерильная питательная среда и посевной материал. Объём питательной среды в аппарате выбирается таким образом. чтобы уровень среды обеспечивал погружение аэрирующей перегородки 13 в поверхностный слой жидкости. Через фильтр 9 и патрубок 2 в верхнюю часть емкости 1 поступает стерильная газовая смесь для газообмена. Отработанная газовая смесь через патрубок 3 и фильтр 10 удаляется из аппарата. Вертикальный шток 11, соединенный с внешним побудителем колебаний, совершает возвратнопоступательное перемещение в вертикальной плоскости, вместе с ним перемещается пакет гибких пластин 12 и аэрирующая перегородка 13. В аэрационной зоне при возвратно-поступательном перемещении перегородки 13 возникают знакопеременные потоки жидкости, направленные вверх при движении пластины вниз и направленные вниз при движении пластины вверх. При таком движении происходит интенсивная турбулизация поверхностного слоя среды, захват газовой смеси, растворение и транспорт ее в среду. Дополнительное дробление, растворение газовой смеси и транспорт ее через малые основания Конических отражательных элементов 14 осуществляет верхняя гибкая пластина 12. С ее помощью часть газовых пузырей попадает под пакет конических перфорированных элементов 14. Газовые пузыри, находящиеся под коническими элементами, всплывают и удаляются через перфорации из зоны аэрации. Пластины 12 располагаются равномерно по высоте емкости. Нижняя пластина находится у днища аппарата и служит для подъема оседающих в пристенной зоне клеток. Каждая вышераслоложенная пластина выполняет роль транспортирующего элемента, направляя поток насыщенной растворенным газом среды из аэрационной зоны, а также клетки из верхней части емкости в нижнюю, из которой они по пристенной циркуляционной зоне поднимаются в верхнюю часть емкости. Конические отражательные элементы 14 препятствуют попаданию клеток в аэрационную зону и нежелательному контакту пузырьков газа с клетками. Сочетание малой жесткости пластин и подбор оптимальной для каждого вида клеток интенсивности колебаний позволяет снизить относительную скорость движения взаимодействующи х фаз и исключить ингибирующее действие касательных напряжений на клетки. Увеличение выхода целевого продукта достигается за счет более полного перемешивания, аэрирования и ликвидации застойных зон, в результате чего в аппарате создается оптимальная гидродинамическая обстановка, которая обеспечивает возможность снижения относительной скорости движения взаимодействующи х фаз. устранения нежелательного прямого контакта пузырьков газа с клетками, что позволяет поддерживать требуемый уровень жизнедеятельности клеток без их повреждения. Предлагаемый аппарат позволяет значительно увеличить выход целевого продукта при культивировании культур клеток животных, человека, растений и филаментозных культур. Так при получении спленоцитарного альфа-интерферона свиней при соблюдении высокой асептики процесса активность альфа-интерферона, полученного в предлагаемом аппарате, превысила в 3 раза активность препарата, полученного в монослое при культивировании спленоцитарных клеток.