Апарат для культивування клітин з рухомою зоною турбулентності

Реферат: Апарат для культивування клітин містить циліндричний корпус з технологічними патрубками, розміщений уздовж осі корпуса пустотілий приводний вал з рухомою втулкою для забезпечення зворотно-поступального руху уздовж вала, до якої приєднаний перемішуючий елемент у формі чотириланцюгового шарнірного механізму з лопатками на кінцях, аератор і реверсивний привод. Перемішуючий елемент виконано у вигляді плоского колового поршня з бічною поверхнею у формі півкруглої кільцевої канавки, поршень приєднаний до рухомої втулки і убезпечений від обертання паралельною до осі пустотілого приводного вала напрямною. UA 120784 U (12) UA 120784 U UA 120784 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до біотехнології, а саме до апаратів для культивування клітин, і може бути використана у фармацевтичній і мікробіологічній промисловостях, а також для потреб клінічних досліджень в медицині при культивуванні клітин або тканин. Відома установка для культивування мікроорганізмів, яка містить з'єднані між собою в нижній частині еластичним трубопроводом дві камери, що обладнані пристроями для стерильного зливу і доливу, пристрої для аерації і стерилізації повітря, а також реверсивний привод для зворотно-поступального руху камер у вертикальній площині [1]. У простерилізовані камери, через пристрій для стерильного зливу і доливу уводиться стерильне поживне середовище та інокулят. Засів інокуляту здійснюється кожного разу на початку технологічного процесу. Під час вирощування культури, камери переміщуються відносно одна одної уздовж вертикалі із заданою швидкістю. За сигналом командного пристрою починає працювати мотор-редуктор, який за допомогою перекинутого через блок троса переміщує камери уздовж вертикалі, внаслідок чого здійснюється перетікання культуральної рідини з однієї камери до іншої. Надходження і вихід повітря у камери здійснюється через пристрій для аерації та стерилізації повітря, який герметично закріплений в горловинах камер. По закінченні процесу культивування, мотор-редуктор зупиняється і припиняє рух камер. При цьому передбачається відповідність кількості культуральної рідин в одній з камер необхідному об'єму інокуляту. Постає потреба у значних наявних габаритах для реалізації переміщення камер у вертикальній площині. Відомий також апарат для культивування клітин, який містить циліндричний корпус з технологічними патрубками, розміщений уздовж осі корпуса пустотілий приводний вал з рухомою втулкою для забезпечення зворотно-поступального руху уздовж вала, до якої приєднаний перемішуючий елемент у формі чотириланцюгового шарнірного механізму з лопатками на кінцях, аератор і реверсивний привод [2]. У корпус, через патрубок, заливається поживне середовище і подається посівний матеріал. В аератор надходить газ для аерації культурального середовища. Включається привод з мішалкою, який працює в імпульсному режимі, І приводить в обертальний рух вал і, разом з ним, втулки і лопатки. На лопатки діють відцентрові сили і сили тяжіння, внаслідок чого лопатки повертаються на шарнірах до горизонтального положення, створюючи радіально-осьові циркуляційні потоки культурального середовища і породжену ними високу інтенсивність тепломасообміну. Надалі повторюються включення привода і процес поновлюється. Недолік цього апарата полягає у низькій продуктивності технологічного процесу, обумовлений тим, що зменшення обертів вала знижує інтенсивність перемішування і, відповідно, знижує якість тепломасообміну. Крім того, не забезпечується достатнє збагачення киснем культуральної рідини по всьому робочому об'єму, що уповільнює розвиток клітин, а, отже, знижує продуктивність. Навпаки, при збільшенні обертів вала, перемішуючий елемент руйнує слабкі оболонки клітин і також знижує продуктивність технологічного процесу. На недостатньо високу продуктивність апарата чинить свій вплив наявність зон низької енергетичної активності периферійних і придонних шарів культуральної рідини у вигляді нерухомих, або повільно плинних ламінарних потоків. Відомий апарат, до того ж, має надмірно складну конструкцію, що слугує іншою його вадою. Цей апарат для культивування клітин є найбільш близьким аналогом до запропонованого за технічною суттю та результатом, що досягається. В основу корисної моделі поставлена задача росту продуктивності технологічного процесу шляхом підвищення інтенсивності перемішування культуральної рідини за допомогою модифікації форми і характера руху перемішуючого елемента і відтворення, завдяки цьому, енергетичної активності культуральної рідини по всьому робочому об'єму апарата без надмірного ризику пошкодження клітин. Одночасно, спрощується конструкція апарата. Поставлена задача вирішується тим, що апарат для культивування клітин з рухомою зоною турбулентності містить циліндричний корпус з технологічними патрубками, розміщений уздовж осі корпуса пустотілий приводний вал з рухомою втулкою для забезпечення зворотнопоступального руху уздовж вала, до якої приєднаний перемішуючий елемент у формі чотириланцюгового шарнірного механізму з лопатками на кінцях, аератор і реверсивний привод, згідно з корисною моделлю, перемішуючий елемент виконано у вигляді плоского колового поршня з бічною поверхнею у формі півкруглої кільцевої канавки, поршень приєднаний до рухомої втулки і убезпечений від обертання паралельною до осі пустотілого приводного вала напрямною. Аналіз причинно-наслідкових зв'язків дає підстави дійти висновку, що наведені ознаки запропонованого апарата для культивування клітин з рухомою зоною турбулентності належать 1 UA 120784 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 до суттєвих, бо забезпечують досягнення нового технічного результату, вигідно відрізняючи заявлений винахід від відомих аналогів і найближчого аналога. Технічний результат від використання запропонованого апарата для культивування клітин з рухомою зоною турбулентності забезпечується обладнанням апарата перемішуючим елементом у вигляді плоского колового поршня з бічною поверхнею у формі півкруглої кільцевої канавки, поршень приєднаний до рухомої втулки і убезпечений від обертання паралельною до осі пустотілого приводного вала напрямною. Рухаючись донизу, нижня поверхня поршня надає поступального руху культуральній рідині у бік днища апарата із швидкістю V і видавлює придонні шари через боковий зазор "δ" угору, в бік кришки апарата. В той же час, периферійні шари культуральної рідини, які знаходяться біля бічної поверхні апарата практично в нерухомому стані, починають рухатися із швидкістю V1 в бік півкруглої кільцевої канавки поршня, тобто в зону зниженого тиску. Зустрічаючись тут із висхідними з боку днища апарата потоками, периферійні шари утворюють в півкруглій кільцевій канавці зону підвищеної турбулентності. Наявність такої зони поблизу корпуса апарата слугує активному тепломасообміну. Крім того, переміщаючись у бік днища апарата, ці зони будуть сприяти зниженню налипання культуральної рідини на внутрішній поверхні корпуса апарата і за кожен цикл руху поршня будуть виконувати функції очисника поверхні апарата, переводячи культуральну рідину із стаціонарного стану спокою у стан високої енергетики, де, разом з іншими шарами культуральної рідини, вони стануть перемішуватися в турбулентних потоках. Тепломасообмінні процеси при рухові поршня угору, будуть аналогічними. Таким чином, в робочому об'ємі апарата для культивування клітин з рухомою зоною турбулентності формуються зони активної енергетики культуральної рідини, що слугує якісній і цілковитій турбулізації по всьому об'єму апарата, швидкій ліквідації застійних зон, необмеженому збагаченню киснем мікроорганізмів і, як наслідок, швидкому їх розвитку. Перемішуючий елемент у вигляді плоского колового поршня з бічною поверхнею у формі півкруглої кільцевої канавки, окрім зазначеного, усуває надмірний ризик пошкодження клітин. Одночасно, суттєво спрощується конструкція апарата для культивування клітин і підвищується продуктивність технологічного процесу. Сукупність наведених ознак заявленого апарата для культивування клітин з рухомою зоною турбулентності забезпечує досягнення нового технічного результату. Суть корисної моделі пояснюється відповідним описом та кресленнями, де: на фіг. 1 показаний в поздовжньому перерізі загальний вигляд запропонованого апарата; на фіг. 2 показаний вигляд І (збільшено) на фіг. 1. Запропонований апарат для культивування клітин з рухомою зоною турбулентності (фіг. 1) використовується у фармацевтичній і мікробіологічній промисловостях, а також для потреб клінічних досліджень в медицині при культивуванні клітин або тканин і містить циліндричний корпус 1 з патрубком 2 для уведення живильної рідини і посівного матеріалу, патрубком 3 з аератором 4, патрубком 5 для видалення культуральної рідини і патрубком 6 для відведення відпрацьованого газу. Уздовж корпуса 1 розташований приєднаний до мотор-редуктора 7 з командно-реверсуючим пристроєм 8, пустотілий приводний вал 9 з рухомою втулкою 10, контактуючі поверхні яких становлять гвинтову пару. До рухомої втулки 10 із зазором "δ" відносно стінок корпуса 1, приєднаний перемішуючий елемент 12 у вигляді плоского колового поршня з бічною поверхнею 13 у формі півкруглої кільцевої канавки радіуса "r", який убезпечений від обертання паралельною до осі пустотілого приводного вала 9 напрямною 11. Робота запропонованого апарата для культивування клітин з рухомою зоною турбулентності здійснюється наступним чином. У початково простерилізований апарат, до корпуса 1 уводять через патрубок 2 живильну рідину і посівний матеріал (інокулят), після чого, через патрубок 3 подають до аератора 4 газ для аерації культуральної рідини і вмикають командно-реверсуючий пристрій 8, за сигналом якого приходить в дію мотор-редуктор 7 і пустотілий приводний вал 9, який в межах визначеного командно-реверсуючим пристроєм 8 ходу "Н" надає зворотно-поступального переміщення рухомій втулці 10 і приєднаному до неї і убезпеченому від обертання напрямною 11, перемішуючому елементу 12 у вигляді плоского колового поршня з бічною поверхнею 13 у формі півкруглої кільцевої канавки радіуса "r". При поступальному рухові перемішуючого елемента 12 донизу, в бік днища апарата, із швидкістю V, нижня поверхня 14 поршня 12 надає поступального руху у бік днища апарата частині 15 культуральної рідини, яка примикає до неї, створює зону підвищеного тиску, внаслідок чого придонні шари культуральної рідини видавлюються і через зазор "δ" надходять у вигляді висхідних потоків 16 до окресленого півкруглою кільцевою канавкою 13 простору із 2 UA 120784 U 5 10 15 20 25 30 швидкістю V5, а надалі виходять із цього простору у бік кришки апарата із швидкістю V2. Примежові до внутрішньої поверхні корпуса 1 апарата стаціонарні нерухомі шари культуральної рідини рухаються із швидкістю V1 до півкруглої кільцевої канавки 13 перемішуючого елемента 12 у зону пониженого тиску (фіг. 2). Складова V6 швидкості висхідних потоків 16 і складова V4 вихідних із зони 13 потоків культуральної рідини перпендикулярні до швидкості V1 руху примежових шарів, тому зустрічаючись створять турбулентний стан рідини. Складова V3 швидкості руху вихідних потоків напрямлена назустріч руху примежових потоків, на цьому протиході також буде утворюватися турбулізація. Нарешті, складова V7 швидкості руху висхідних потоків, після удару їх об поверхню півкруглої кільцевої канавки 13, стануть рухатися супроти примежових потоків і також будуть турбулізувати культуральну рідину. Таким чином, в просторі між півкруглою кільцевою канавкою 13 і корпусом 1 будуть зустрічатися різнонапрямлені висхідні, вихідні і примежові потоки культуральної рідини, внаслідок чого формується активна турбулентна зона, яка весь час рухається уздовж висоти апарата і створює бажану динамічну ситуацію культуральної рідини. Рух перемішуючого елемента 12 угору, формує аналогічну енергетику технологічного процесу. Все зазначене буде слугувати якісному тепломасообміну, достатньому збагаченню киснем клітин і, відповідно, слугуватиме швидкому їх розвитку, що підвищить продуктивність технологічного процесу. Відсутність обертального руху перемішуючого елемента сприятиме зменшенню ризику механічного пошкодження оболонок клітин, а проста форма перемішуючого елемента істотно спростить конструкцію апарата в цілому. Таким чином, використання запропонованого апарата для культивування клітин з рухомою зоною турбулентності за допомогою нових властивостей підвищить якість та інтенсивність тепломасообміну і аерації культуральної рідини, що буде сприяти швидкому розвитку клітин і підвищенню продуктивності технологічного процесу. Джерела інформації: 1. АС СРСР № 1131899, МПК С12М1/00. Установка для культивирования микроорганизмов [Текст] / А.Н. Данилина, А.В. Данилов, И.В. Александрова, А.А. Складнев, B.C. Ромазанов, И.А. Туков (СССР). - № 3226238/30-15; заявл. 25.12.80; опубл. 30.12.84, Бюл. № 48. - 1 с.: ил. 2. АС СРСР № 1633814, МПК С12М3/00. Апарат для культивирования клітин [Текст] / А.И. Гуславский, В.Н. Качалов, Л.И. Ковальчук, И.И. Дамиров (СССР). - № 4633148/13; заявл. 05.01.89; опубл. 27.08.95, Бюл. № 24. - 1 с.: ил. 35 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 40 45 Апарат для культивування клітин, що містить циліндричний корпус з технологічними патрубками, розміщений уздовж осі корпуса пустотілий приводний вал з рухомою втулкою для забезпечення зворотно-поступального руху уздовж вала, до якої приєднаний перемішуючий елемент у формі чотириланцюгового шарнірного механізму з лопатками на кінцях, аератор і реверсивний привод, який відрізняється тим, що перемішуючий елемент виконано у вигляді плоского колового поршня з бічною поверхнею у формі півкруглої кільцевої канавки, поршень приєднаний до рухомої втулки і убезпечений від обертання паралельною до осі пустотілого приводного вала напрямною. 3 UA 120784 U Комп’ютерна верстка О. Гергіль Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4