Аппарат для выращивания микроорганизмов или клеток

 

Использование: микробиологическая промышленность, получение биомассы и продуктов биосинтеза микроорганизмов, а также клеток животных и растений. Сущность изобретения: аппарат содержит емкость и размещенное в емкости устройство для перемешивания среды, включающее вертикальный шток с приводом, установленный с возможностью возвратно-поступательного перемещения. В верхней части емкости расположены поперечная перегородка с отверстиями, укрепленная на штоке, и размещенные под ней в виде пакета конические перфорированные отражательные элементы, прикрепленные к стенке емкости , при этом одна из пластин, верхняя, расположена между перегородкой и коническими элементами. 3 з.п.ф-лы, 1 ил.

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)я С 12 М 1/04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЖ вЂ”--К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4878423/13 (22) 29.10.90 (46) 07.11.92. Бюл, ¹ 41 (71) Киевский технологический институт пищевой промышленности и Институт микробиологии и вирусологии им.

Д, К.Заболотного (72) В.Д.Думанский, В,Н.Поводзинский, Ю.В.Карлаш, В.Н.Иванов, Я.Г.Кишко, Н.Я.Спивак, А.В,Селезнев и В.К.Иваненко (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 510504, кл. С 12 M 1/04, 1974.

Авторское свидетельство СССР

¹ 759586, кл, С 12 М 1/04, 1978, (54) АППАРАТ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ ИЛИ КЛЕТОК (57) Использование: микробиологическая промышленность, получение биомассы и

Изобретение относится к микробиологической, медицинской промышленности и может быть использовано для получения биомассы и продуктов биосинтеза клеток микроорганизмов, а также клеток животного и растительного происхождения. Данный аппарат также можно использовать для культивирования филаментозных культур.

При аэробном микробном синтезе используются биореакторы, отличающиеся высоким газосодержанием, большой единичной мощностью и высоким уровнем массообменных процессов. Для культивирования клеток животных и растений, как правило, используют культивирование в монослое неподвижной питательной среды. В этом случае существенным недостатком является большая продолжительность культивирования и низкий выход

ЫЛ«А1 продуктов биосинтеза микроорганизмов, а также клеток животных и растений. Сущность изобретения: аппарат содержит емкость и размещенное в емкости устройство для перемешивания среды, включающее вертикальный шток с приводом, установленный с возможностью возвратно-поступательного перемещения. В верхней части емкости расположены поперечная перегородка с отверстиями, укрепленная на штоке, и размещенные под ней в виде пакета конические перфорированные отражательные элементы, прикрепленные к стенке емкости, при этом одна из пластин, верхняя, расположена между перегородкой и коническими элементами. 3 з.п.ф-лы, 1 ил. 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 пакетом жестких контактных элементов. Шток совершает возвратно-поступательное движение в вертикальной плоскости (Авт.св. СССР № 510504, кл. С 12 В 1/10, опублик, 26.12.74; авт.св. СССР, № 755835 кл. С 12 В 1/10, опублик. 15.08.80; авт.св. СССР, № 380699, кл. С 12 В 1/10, опублик. 06.10.71).

К недостаткам перечисленных аппаратов относится ограниченная возможность их использования для культивирования животных, растительных клеток и филаментоз45

50 ных кульгур, обусловленная высокой насыщенностью питательной среды газовой фазой, которая 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 перемешения контактных элементов возникают значительные касательные напряжения, которые отрицательно влияют на клетки, повреждая их оболочку, или приводят к разрыву гиф филаментозных культур.

Наиболее близким по конструкции является аппарат для выращивания микроорганизмов (авт,св. СССР N 759586, кл, С 12

С 1/10, опублик.30,08.80), Аппарат выполнен в виде вертикальной емкости, в которой перемещается шток с жесткими перегородками, имеющими отверстия. Перемещение штока осуществляется от внешнего побудителя колебаний. Контактные элементы при движении дробят газовую фазу и обеспечивают равномерное распределение взаимодействующих фаз, В процессе равномерного распределения фаз по объему аппарата существенную роль играет диффузор с кольцевыми щелями. Использование диффузора и подвижных контактных элементов, создает циркуляционный контур по периферии аппарата. Для достижения высокого уровня массопередачи кислорода — до 28 кг кислорода на 1 м в 1 ч требуется введение значительной энергии.

Высокая энергонасыщенность аппарата неблагоприятно воздействует на клетки животных, растений и филаментозные культуры.

Это обусловлено тем, что дробление газовой фазы и создание потоков жидкости в отверстиях и периферии контактных элементов, достигается 33 счет высокой относительной скорости движения фаз и возникновения значительных касательных напряжений в зоне перемешивания.

При культивировании клеток животных, растений и филаментозных культур необходимо снижение относительной скорости движения взаимодействующих фаз для создания "мягких" условий перемешивания, при которых обеспечивается омывание клеток питательной средой.

Целью изобретения является создание конструкции аппарата для выращивания микроорганизмов или клеток, в котором с целью повышения выхода целевы х продук5

40 тов за счет более полного перемешивания, аэрирования и ликвидации застойных зон, в аппарате, представляющем цилиндрическую герметичную емкость с технологическими патрубками, размещено устройство для перемешивания среды, включающее вертикальный шток с приводом, установленный по оси емкости с возможностью возвратно-поступательного перемещения.в вертикальной плоскости и размещенные на нем по всей высоте емкости гибкие пластины, диаметр которых меньше диаметра аппарата, при этом одна из них расположена в аэрационной зоне, которая находится в верхней части аппарата и отделена от зоны культивирования пакетом неподвижных, прикрепленных к стенке, конических перфорированных элементов с отбортовкой, над которыми расположена прикрепленная к штоку вибрирующая перегородка с коническими отверстиями, направление конусности которых чередуется по концентрическим окружностям, одновременно выполняющая роль поверхностного аэратора и механического пеногасителя.

Новым в предложенной конструкции является замена статического аэратора-барботера на систему динамической поверхностей аэрации. Это достигается установкой на штоке жесткой перфорированной поперечной перегородки, совершающей возвратно-поступательное движение. Для создания аэрационного эффекта аэрирующая перегородка располагается вблизи поверхности жидкости, Отличител ь ной особен ность ю азрирую щей перегородки является то, что отверстия в перегородке выполнены в продольном сечении в виде усеченных конусов и расположены по 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.

Аэри рующая перегородка одновремен но выполняет роль механического пеногасителя.

Вторым элементом новизны является разделение всего объема аппарата на две зоны: зону локальной аэрации и зону культивирования, Это достигается установкой пакета неподвижных конических (сужающейся частью вниз) перфорированных отражательных элементов с отбортовкой вниз между аэрирующей пластиной и гибкими пластинами. Установка отражательных элементов служит для предотвращения транспорта клеток гибкими пластинами в

1773а3Я

45

55 аэрационную зону и формирования цирку ляционного потока жидкости, содержащей клетки, который образуется в пристенной зоне и направлен в нижнюю часть аппарата.

Третьим элементом новизны является применение гибких пластин равномерного или переменного сечения, у которых имеются прорези, сегментирующие их на отдельные элементы. Для достижения требуемого эффекта "мягкого" перемешивания используются пластины из инертного термостойкого материала. Выбор материала обусловлен необходимостью термической стерилизации аппарата. При знакопеременном движении штока с пакетом пластин последние изгибаются вследствие сопротивления жидкости. Прорези и переменное сечение уменьшают жесткость пластин и создают дополнительные зоны турбулизэции среды. Сочетание малой жесткости пластин и выбор необходимой интенсивности колебаний позволяет исключить ингибирующее действие касательных напряжений на клетку. Пластины имеют диаметр не более 0,5 диаметра аппарата, что обеспечивает создание пристенной циркуляционной зоны.

Выбор диаметра гибких пластин определен требованием по созданию циркуляцианной зоны для седиментации клеток. При диаметре пластины более 0,5 диаметра аппарата происходит нарушение гидродинамики циркуляционного контура.

На чертеже схематично изображен предлагаемый аппарат.

Аппарат состоит из герметичной емкости 1 и оборудован штуцерам 2 и фильтром

3 для подачи и стерилизации воздуха, штуцером 4 и фильтром 5 для удаления и очистки отработанного. воздуха, штуцерам 6 для загрузки питательной среды и посевного материала, устройством 7 для температурной стабилизации, пробоотборником 8, штуцером 9 для подачи охлаждающей воды, штуцером 10 для выгрузки содержимого аппарата. Внутри аппарата расположен вертикальный шток 11 с пакетом гибких пластин 12, и одна из них расположена в аэрационной зоне, Отвод охлаждающей воды производится через штуцер 13, Аэрационная зона отделена от зоны культивирования пакетом неподвижных перфорированных конических элементов

14, прикрепленных к стенке аппарата. Конические элементы имеют в верхней части отбортовку. Аэрацич и пеногашение осуществляются жесткой перфорированной перегородкой 15, имеющей конические отверстия, выполненные в продольном сечении в виде усеченных конусов и расположенные по концентрическим окружнастям по всей площади перегородки с чередованием обращения больших оснований этих конусов вверх-вниз. Герметичность соединения штока 11 с емкостью 1 обеспечивается сильфоном 16.

Аппарат работает следующим образом.

В аппарат после термической стерилизации подается стерильная питательная среда и посевной материал. Объем питательной среды в аппарате выбирается так. чтобы уровень среды обеспечивал погружение аэрирующей перегородки 15 в поверхностный слой жидкости. Через штуцер 2 и фильтр 3 в верхнюю часть аппарата поступаетстерильный воздухдля газообмена. Отработанный воздух через штуцер 4 выходит иэ аппарата. Шток 11 соединен с внешним побудителем колебаний и совершает возвратно-поступательное перемещение, вместе с ним перемещаются пакет гибких пластин 12 и ээрирующая перегородка 15.

В аэрационной зоне пр«возвратно-поступательном перемещении перегородки 15 возникают знакопеременные патоки жидкости, направленные вверх при движении пластины вниз и направленные вниз при движении пластины вверх. При таком движении происходит захват воздуха и транспорт его в аэрационную зону.

Дополнительное дробление газа осуществляет гибкая пластина 12, установленная в аэрационной зоне. С ее помощью часть газовых пузырей попадает под пакет конических перфорированных элементов 14, Газовые пузыри, находящиеся под коническими элементами, всплывают, попадая в зону, образованную отбортовкой, и удаляются из зоны аэрации.

Пластины 12 располагаются равномерно па высоте аппарата. При вибрационном перемешивэнии нижняя пластина расположена у днища аппарата и служит для подьема оседающих в циркуляционной зоне клеток. Каждая вышерасположенная пластина выполняет роль транспортирующего элемента, направляя клетки в аэрационную зону, из которой они по пристенной циркуляционной зоне возвращаются в нижнюю часть аппарата.

Увеличение выхода целевого продукта достигается в результате создания гидродинамической обстановки, которая обеспечивает более полное перемешивание, аэрировэние и ликвидацию застойных эон в аппарате.

Предлагаемый аппарат позволяет значительно увеличить выход целевого продукта на примере получения альфа-интерферона. Так, при соблюдении высокой асептики процесса активность аль1773936 фа-интерферона, полученного при вибрационном перемешивании, превысила в 3 раза активность препарата, полученного в монослое при культивировании спленоцитарных клеток.

Составитель В, Думанский

Редактор А. Кулакова Техред M.Mîðãåíòàë Корректор В. Петраш

Заказ 3908 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Формула изобретения

1. Аппарат для выращивания микроорганизмов или клеток, содержащий 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 и размещенные на нем по всей высоте емкости пластины, отличаю щий с я тем, что, с целью повышения выхода целевого продукта за счет более полного перемешивания, аэрирования и ликвидации застойных зон, в верхней части емкости по всему ее сечению расположены поперечная перегородка с отверстиями, укрепленная на штоке, и размещенные под ней в виде пакета

5 конические перфорированные отражательные элементы, прикрепленные к стенке емкости, при этом одна из пластин, верхняя, расположена между перегородкой и коническими элементами.

10 2, Аппарат по п.1, отличающийся тем, что диаметр пластин составляет не более 0,5 диаметра емкости.

3, Аппарат по п.1, отличающийся тем, что пластины выполнены гибкими, 15 4. Аппарат по п1,отл ича ю щи йся тем, что отверстия в перегородке выполнены в продольном сечении в виде усеченных конусов и расположены по концентрическим окружностям по всей площади перего20 родки с чередованием обращения больших оснований этих конусов вверх-вниз.