Аппарат для суспензионного культивирования клеток тканей и микроорганизмов

 

Изобретение относится к биотехнологии, а более точно - аппарату для суспензионного культивирования клеток тканей или микроорганизмов. Аппарат содержит цилиндрическую емкость с крышкой и патрубками соответственно для подачи аэрирующего газа и отвода газообразной среды и устройство для аэрации и перемешивания среды. Оно включают горизонтальное лопастное колесо, укрепленное на вертикальном полом валу и размещенное в верхней части емкости непосредственно под крышкой, кольцевую перегородку, установленную в цилиндрической емкости соосно лопастному колесу с образованием зазора между цилиндрической стенкой емкости и кольцевой перегородкой, и механизм стабилизации положения кольцевой перегородки относительно поверхности жидкой фазы. Последний выполнен в виде направляющих элементов и поплавков, расположенных на кольцевой перегородке. Направляющие элементы прикреплены посредством стоек к верхней поверхности кольцевой перегородки или к верхней и нижней поверхностям кольцевой перегородки и выполнены съемными в виде аэродинамически профилированных и радиально ориентированных относительно кольцевой перегородки лопаток с плоской верхней и выпуклой нижней поверхностями типа "антикрыло". Лопатки снабжены узлами изменения угла атаки относительно набегающего потока газа или жидкости и крепления лопаток к стойкам на кольцевой перегородке и под ней. Конструкция аппарата обеспечивает возможность культивирования клеток или микроорганизмов, имеющих разную потребность в кислороде, а также позволяет достигнуть более высокой их концентрации в суспензии. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к биотехнологии, а более точно - аппарату для суспензионного культивирования клеток тканей или микроорганизмов.

Известен аппарат для суспензионного культивирования клеток тканей и микроорганизмов (Авторское свид. СССР N 1331888, МПК C 12 M 1/04, опубл. 1987), включающий закрытую емкость, к днищу которой присоединены патрубки для подачи аэрирующего газа. Одна группа патрубков расположена тангенциально, а другая - параллельно цилиндрической стенке емкости. В процессе культивирования аэрирующий газ вовлекается сразу в вихревое движение с одновременной циркуляцией в виде восходящих и нисходящих потоков вдоль оси аппарата.

Однако такой аппарат невозможно использовать для культивирования легко травмируемых клеток тканей животных и человека, так как в процессе культивирования в суспензии образуется множество пузырьков газа, при разрушении которых будет гибнуть значительное количество клеток. Аэрация продувкой газа вызывает пенообразование, которое также приведет к гибели части клеток. Для гашения пены потребуется введение дорогостоящих нетоксичных химических пеногасителей в питательную среду, в результате чего усложнится технологический процесс культивирования, а использование пеногасителя приведет к ухудшению качества культурной среды.

Известен аппарат для суспензионного культивирования клеток тканей и микроорганизмов (Патент США N 4259449, МПК C 12 M 1/04, опубл. 1981), содержащий цилиндрическую емкость с крышкой и патрубками для подачи аэрирующего rasa и отвода газообразной среды и устройство для перемешивания суспензии клеток, в качестве которого использована решетка, расположенная в нижней части емкости. Через решетку в емкость подается воздух для создания гидростатического давления, обеспечивающего предотвращение оседания клеток из суспензии.

Однако такой аппарат имеет низкую производительность процесса культивирования клеток вследствие ухудшения массообменных характеристик, которые в свою очередь ухудшаются из-за снижения интенсивности подачи аэрирующего газа во избежание травмирования клеток. При этом полностью травмирование клеток не исключается и имеет место интенсивное ценообразование.

Известен также аппарат для суспензионного культивирования клеток тканей или микроорганизмов (Международная заявка (WO) 92/05245, МПК⁶ C 12 M 1/04, опубл. 02.04.92), содержащий цилиндрическую емкость с крышкой и патрубками для подвода и отвода газа и устройство для аэрации и перемешивания среды. Устройство для аэрации и перемешивания содержит горизонтальное лопастное колесо, укрепленное на вертикальном приводном валу, размещенное в верхней части емкости непосредственно под крышкой, и расположенную под ним кольцевую пластину с центральным отверстием для отвода газа, прикрепленную по периферии к стенке емкости с образованием кольцевой полости вокруг колеса для подвода и отвода газа. В кольцевой перегородке выполнены щелевые отверстия для прохода газа, расположенные равномерно по окружности под наклоном к горизонтальной плоскости. Патрубок для подвода газа установлен в крышке соосно лопастному колесу, а патрубок для отвода газа подключен к указанной кольцевой полости и размещен на краю крышки.

Недостатком является то, что формирование осесимметричного вихревого движения жидкости (потенциальный вихрь с осевым противотоком) в таком аппарате достигается при высоких скоростях движения газа (свыше 15-18 м/с) над поверхностью этой жидкости, т.е. связано с большими энергозатратами. При этом происходит захват капель жидкости с поверхности суспензии клеток c последующим выбросом их на стенку емкости. Клетки в каплях жидкости травмируются от удара о стенку аппарата, т.е. имеет место массовая гибель клеток. При снижении скорости движения газа (6-8 м/с) над поверхностью суспензии клеток наблюдается неустойчивое течение жидкости, т.е. периодическая смена режима осесимметричного вихревого движения жидкости на режим автоколебания жидкости, при котором возникает бегущая вдоль стенки емкости волна. Поверхность жидкости искривляется и представляет собой асимметричный параболоид вращения. Вся жидкость в аппарате колеблется как единое целое, раскачивая весь аппарат, что неблагоприятно сказывается на процессе культивирования клеток. Кроме того, конструкция аппарата позволяет культивировать клетки при высоте заполнения емкости, равной или менее одного диаметра этой емкости. Если высота заполнения емкости суспензией клеток более одного диаметра этой емкости, то у дна ее образуется застойная зона. При культивировании клетки неизбежно оседают в эту зону и гибнут от недостатка кислорода.

Известен аппарат для суспензионного культивирования клеток тканей или микроорганизмов, содержащий цилиндрическую емкость с крышкой и патрубками соответственно для подачи аэрирующего газа и отвода газообразной среды и устройство для аэрации и перемешивания среды, включающее горизонтальное лопастное колесо, укрепленное на вертикальном полом залу и размещенное в верхней части емкости непосредственно под крышкой (Международная заявка (WO) 93/21301, МПК⁶ C 12 M 1/04, опубл. 28.10.93 - первый вариант конструкции аппарата). Устройство для аэрации и перемешивания среды снабжено кольцевой перегородкой, установленной в цилиндрической емкости соосно лопастному колесу с образованием зазора между цилиндрической стенкой емкости и кольцевой перегородкой, и механизмом стабилизации положения кольцевой перегородки относительно поверхности суспензии клеток. В соответствии с данным вариантом выполнения изобретения механизм стабилизации положения кольцевой перегородки относительно поверхности суспензии клеток выполнен в виде стоек, прикрепленных к крышке емкости и кольцевой перегородке посредством фиксаторов с возможностью изменения положения кольцевой перегородки относительно высоты емкости. Кольцевая перегородка должна быть погружена на глубину H≥0,02(D₁-D₂), где D₁ - диаметр кольцевой перегородки; D₂ - диаметр осевого отверстия кольцевой перегородки.

Недостаток данного варианта выполнения конструкции состоит в следующем. Во многих случаях процесс культивирования клеток и тканей сопровождается изменением уровня первоначального заполнения биореактора (например, периодический отбор проб, или начальный период культивирования осуществляют при малых объемах питательной среды, а конечная стадия культивирования - при максимальном заполнении емкости реактора) вследствие чего происходит изменение глубины (H) погружения кольцевой перегородки, т. е. нарушается условие H≥0,02(D₁-D₂). Уменьшение величины (H) приводит к "запиранию" стока жидкости через осевое отверстие кольцевой перегородки, что ведет к ухудшению процесса перемешивания и аэрации культивируемых клеток. При зависании кольцевой перегородки над поверхностью суспензии клеток показатели массообмена еще более ухудшаются. Если глубина погружения (H) кольцевой перегородки значительно больше H=0,02(D₁-D₂), то над поверхностью суспензии образуется "бегущая волна", которая постепенно приводит к раскачиванию всей массы суспензии клеток, переводя ее в режим неустойчивого перемешивания с пониженными показателями массообмена. Таким образом, в условиях периодического изменения уровня заполнения емкости реактора в процессе культивирования, данное устройство будет практически неработоспособным или потребует введения дополнительного механизма автоматической установки кольцевой перегородки на оптимальную глубину при изменении уровня заполнения емкости реактора, что значительно усложнит аппарат. Кроме того, при использовании неподвижно установленной кольцевой перегородки необходимы дополнительные затраты энергии и времени для выхода биореактора на рабочий режим.

Известен наиболее близкий аналог (прототип) предлагаемого технического решения, представляющий собой аппарат для суспензионного культивирования клеток тканей или микроорганизмов, содержащий цилиндрическую емкость с крышкой и патрубками соответственно для подачи аэрирующего газа и отвода газообразной среды и устройство для аэрации и перемешивания среды, включающее горизонтальное лопастное колесо, укрепленное на вертикальном полом валу и размещенное в верхней части емкости непосредственно под крышкой (Международная заявка (WO) 93/21301, МПК⁶ C 12 M 1/04, 28.10.93, - второй вариант конструкции аппарата). Устройство для аэрации и перемешивания среды снабжено кольцевой перегородкой, установленной в цилиндрической емкости соосно лопастному колесу с образованием зазора между цилиндрической стенкой емкости и кольцевой перегородкой, и механизмом стабилизации положения кольцевой перегородки относительно поверхности суспензии клеток. Механизм стабилизации положения кольцевой перегородки относительно поверхности суспензии клеток выполнен в виде поплавков с направляющими лопастями, прикрепленными к верхней поверхности кольцевой перегородки. Кольцевая перегородка должна быть погружена на глубину H≥0,02(D₁-D₂), где - D₁ - диаметр кольцевой перегородки: D₂ - диаметр осевого отверстия кольцевой перегородки.

Недостатком такого варианта выполнения конструкции биореактора (вариант с плавающей кольцевой перегородкой) является то, что для достижения высокой плотности растительных и животных клеток в суспензии или при культивировании высокоаэробных культур клеток скорость воздушного вихря над поверхностью жидкой фазы должна быть более 7-8 м/с, чтобы обеспечить оптимальные условия аэрации указанных биологических объектов. Но при таких скоростях воздушного вихря гидродинамика и интенсивность восходящего потока жидкости (осевого противотока) такова, что кольцевая плавающая перегородка всплывает (за счет возникновения разности давлений над и под перегородкой) на поверхность суспензии клеток (нарушается условие оптимального погружения кольцевой перегородки H≥0,02(D₁-D₂), вследствие чего нарушается гидродинамический режим течения (перемешивания) жидкости (суспензии клеток), ухудшаются условия аэрации культивируемых клеток с последующим оседанием биомассы на дно реактора и гибелью клеток от недостатка кислорода. Причем, при изменении вязкости жидкой фазы в процессе культивирования биологических объектов кольцевая перегородка, вследствие ее постоянной плавучести, может неконтролируемо изменять свое положение относительно поверхности жидкой фазы.

Кроме того, при вращении плавающей кольцевой перегородки в суспензии клеток за поплавками образуются застойные теневые зоны, в которых оседают и накапливаются культивируемые клетки. Нижние слои клеток в указанных зонах гибнут из-за недостатка кислорода, что ухудшает качество готового продукта и снижает технологические характеристики аппарата.

В основу настоящего изобретения поставлена задача создания такого аппарата для суспензионного культивирования клеток тканей или микроорганизмов, который обеспечивал бы формирование осесимметричного вихревого движения жидкости с осевым противотоком в суспензии клеток без застойных зон как при низких скоростях движения газа (3-6 м/с), так и при более высоких его скоростях (7-10 м/с и более) над поверхностью этой жидкости за счет обеспечения поддержания кольцевой перегородки на оптимальной глубине не зависимо от изменения интенсивности газового вихря над поверхностью суспензии клеток и изменения вязкости жидкой фазы, что в свою очередь, позволит культивировать клетки тканей или микроорганизмы, имеющие разную потребность в кислороде.

Поставленная задача решается тем, что в аппарате для суспензионного культивирования клеток тканей или микроорганизмов, содержащем цилиндрическую емкость с крышкой и патрубками соответственно для подачи аэрирующего газа и отвода газообразной среды и устройство для аэрации и перемешивания среды, включающее горизонтальное лопастное колесо, укрепленное на вертикальном полом валу и размещенное в верхней части емкости непосредственно под крышкой, кольцевую перегородку, установленную в цилиндрической емкости соосно лопастному колесу с образованием зазора между цилиндрической стенкой емкости и кольцевой перегородкой, и механизм стабилизации положения кольцевой перегородки относительно поверхности жидкой фазы (суспензии клеток), выполненный в виде направляющих элементов и поплавков, согласно изобретению направляющие элементы механизма стабилизации положения кольцевой перегородки относительно поверхности жидкой фазы (суспензии клеток) прикреплены посредством стоек к верхней плоскости кольцевой перегородки или к верхней и нижней плоскостям кольцевой перегородки и выполнены съемными в виде аэродинамически профилированных и радиально ориентированных относительно кольцевой перегородки лопаток с плоской верхней и выпуклой нижней поверхностями типа "антикрыло", причем лопатки снабжены узлами изменения угла атаки относительно набегающего потока газа или жидкости и крепления лопаток к стойкам на кольцевой перегородке и под ней.

Аэро- или гидродинамическая сила, возникающая при обтекании соответственно потоком газа или жидкости лопаток при таком их конструктивном выполнении (с профилем типа "антикрыло") направлена против гидродинамической силы, вызывающей всплывание кольцевой перегородки, что позволяет поддерживать указанную кольцевую перегородку на оптимальной глубине при скорости газового вихря над поверхностью жидкой фазы более 6-7 м/с.

Узлы изменения угла атаки лопаток относительно набегающего потока газа или жидкости и крепления лопаток к стойкам на кольцевой перегородке и под ней выполнены в виде зажимных механизмов. Указанные узлы могут быть выполнены в виде различных разъемных соединений, например, типа "винт-гайка", или "цанговое соединение".

При расположении лопаток на кольцевой перегородке над поверхностью суспензии клеток угол атаки лопаток относительно набегающего потока газа составляет от -15^o до -90^o, а при расположении лопаток в жидкости под кольцевой перегородкой угол атаки лопаток относительно набегающего потока жидкости составляет от 0^o до -35^o.

В указанных угловых диапазонах наклона лопаток относительно набегающего потока газа или жидкости обеспечивается стабильное поддержание кольцевой перегородки на оптимальной глубине с низкими энергозатратами.

Поплавки механизма стабилизации положения кольцевой перегородки относительно поверхности жидкой фазы выполнены в теле этой перегородки или выполнены в виде усеченных неравнобоких пирамид, ориентированных усеченными вершинами в сторону кольцевой перегородки и закреплены на стойках с зазором относительно лопаток и кольцевой перегородки.

Такая форма поплавков обеспечивает повышение надежности поддержания кольцевой перегородки на оптимальной глубине не зависимо от изменения вязкости жидкой фазы, а образованный зазор между поплавками и кольцевой перегородкой устраняет за поплавками застойные теневые зоны, за счет чего предотвращается оседание, накапливание и гибель в этих зонах культивируемых клеток.

При выполнении поплавков в теле кольцевой перегородки также устраняются застойные теневые зоны на этой перегородке, за счет чего предотвращается оседание, накапливание и гибель в этих зонах некоторой части культивируемых клеток.

Кольцевая перегородка погружена в суспензию клеток на глубину (H), равную H = 0,02 - 0,09 (D₁-D₂), где - D₁ диаметр кольцевой перегородки; D₂ - диаметр осевого отверстия кольцевой перегородки.

Уменьшение величины H≅0,02(D₁-D₂) приводит к "запиранию" стока жидкости через осевое отверстие кольцевой перегородки, что ведет к ухудшению процесса перемешивания и аэрации культивируемых клеток с последующим оседанием биомассы на дно реактора и гибелью клеток от недостатка кислорода. Если глубина погружения (H) кольцевой перегородки значительно больше H=0,09(D₁-D₂), то над поверхностью суспензии образуется "бегущая волна", которая постепенно приводит к раскачиванию всей массы суспензии клеток, переводя ее в режим неустойчивого перемешивания с пониженными показателями массообмена (режим автоколебания), что отрицательно влияет на жизнеспособность и продуктивность биомассы.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретного варианта его осуществления и прилагаемыми чертежами, на которых: фиг. 1 - схема аппарата для суспензионного культивирования клеток тканей и микроорганизмов с расположением лопаток над кольцевой перегородкой, а поплавков - в теле этой перегородки; фиг. 2 - то же, разрез аппарата по А-А: фиг. 3 - механизм стабилизации положения кольцевой перегородки относительно поверхности жидкости с расположением поплавков на стойках, а лопаток - над кольцевой перегородкой и под ней (лопатки имеют малые углы атаки относительно потока газа и жидкости); фиг. 4 - механизм стабилизации положения кольцевой перегородки относительно поверхности жидкости с расположением поплавков на стойках, а лопаток - над кольцевой перегородкой (с углом атаки лопаток относительно потока газа -90^o) и под этой перегородкой (с малым углом атаки лопаток относительно потока жидкости).

Аппарат для суспензионного культивирования клеток тканей и микроорганизмов содержит цилиндрическую емкость 1 (фиг. 1) для суспензии клеток с крышкой 2 и патрубками 3 и 4 соответственно для подачи аэрирующего газа и отвода газообразной среды и устройство для аэрации и перемешивания питательной среды. Патрубок 3 для подачи аэрирующего газа установлен над крышкой 2 соосно емкости 1, а патрубок 4 для отвода газа - на краю крышки 2. Устройство для аэрации и перемешивания суспензии клеток содержит горизонтальное лопастное колесо 5, укрепленное на вертикальном полом валу 6 и размещенное в верхней части емкости 1 непосредственно под крышкой 2, кольцевую перегородку 7, установленную в емкости 1 соосно ей и колесу 5 с образованием зазора между цилиндрической стенкой емкости 1 и кольцевой перегородкой 7 и механизм стабилизации положения кольцевой перегородки 7 относительно поверхности суспензии клеток.

Причем нижняя поверхность 8 кольцевой перегородки 7 выполнена выпуклой, а верхняя ее поверхность 9 - плоской. Кроме того, кольцевая перегородка 7 имеет диаметр (D₁), равный D₁=(0,7-0,9)D₀, а диаметр (D₂) осевого отверстия перегородки 7 равен D₂=(0,1-0,3)D₁, где D₀ - внутренний диаметр цилиндрической емкости 1. Перегородка 7 должна быть погружена в суспензию клеток на глубину (H), равную H=0,02-0,09(D₁-D₂).

Механизм стабилизации положения кольцевой перегородки 7 относительно поверхности суспензии клеток выполнен в виде поплавков 10 и направляющих элементов 11. Направляющие элементы 11 механизма стабилизации положения кольцевой перегородки 7 относительно поверхности суспензии клеток выполнены съемными в виде аэродинамически профилированных и радиально ориентированных относительно кольцевой перегородки 7 лопаток 12 и 13 с плоской верхней поверхностью 14 и выпуклой нижней поверхностью 15 с получением формы этих лопаток типа "антикрыло". Аэродинамическая сила F₁, возникающая при обтекании потоком газа лопаток 12 и гидродинамическая сила F₂, возникающая при обтекании потоком жидкости лопаток 13 направлены против гидродинамической силы F₃, возникающей во вращающемся потоке жидкости и вызывающей всплывание кольцевой перегородки 7 за счет разности давлений над и под этой кольцевой перегородкой.

В одном из вариантов выполнения механизма стабилизации положения кольцевой перегородки относительно поверхности жидкой фазы (фиг. 1) лопатки 12 установлены посредством стоек 16 на кольцевой перегородке 7, а поплавки 10 выполнены в теле этой кольцевой перегородки.

В другом варианте выполнения механизма стабилизации положения кольцевой перегородки относительно поверхности жидкой фазы (фиг. 3) лопатки 12 установлены посредством стоек 16 на кольцевой перегородке 7, а лопатки 13 установлены посредством стоек 17 под кольцевой перегородкой 7. Поплавки 10 прикреплены к стойкам 16 между лопатками 12 и кольцевой перегородкой 7 с образованием зазоров между поплавками 10 и перегородкой 7, а также между поплавками 10 и лопатками 12. Причем поплавки 10 выполнены в виде усеченных неравнобоких пирамид, ориентированных усеченными вершинами в сторону кольцевой перегородки 7.

В одном из режимов функционирования второго варианта выполнения механизма стабилизации положения кольцевой перегородки относительно поверхности жидкой фазы (фиг. 4) лопатки 12 установлены под углом -90^o к перегородке 7 и служат только для обеспечения вращения этой перегородки в жидкости (суспензии клеток).

Лопатки 12 и 13 снабжены узлами изменения угла атаки относительно набегающего потока газа или жидкости и крепления их соответственно к стойкам 16 на кольцевой перегородке 7 и к стойкам 17 под кольцевой перегородкой 7. Причем узлы изменения угла атаки лопаток 12 и 13 относительно набегающего потока газа или жидкости и крепления их соответственно к стойкам 16 или 17 выполнены в виде зажимных механизмов 18 типа "винт-гайка" или в виде цангового соединения.

Угол атаки лопаток 12 относительно набегающего потока газа составляет от -15^o до -90^o, а угол атаки лопаток 13 относительно набегающего потока жидкости составляет от 0^o до -35^o.

Кольцевая перегородка 7 погружена в суспензию клеток на глубину (H) равную H = 0,02-0,09(D₁-D₂), где D₁ - диаметр кольцевой перегородки; D₂ диаметр осевого отверстия кольцевой перегородки.

Для вращения лопастного колеса 5 использована магнитная муфта 19, одна из подвижных частей 20 которой смонтирована на полом валу 6 над крышкой 2, а другая часть 21 размещена на полой оси 22. Полая ось 22 расположена соосно валу 6 вокруг подвижной части 20 муфты 19. Часть 20 муфты 19 приводится во вращение, например, ременной передачей 23 от электродвигателя 24. В нижней части емкости 1 (на фиг. 1) размещен патрубок 25 ввода культуральной среды и посевного материала. Этот же патрубок 25 служит для слива суспензии клеток после окончания процесса культивирования.

При культивировании высокоаэробных биологических объектов (культуры клеток животных или насомых) лопатки 12 устанавливают посредством зажимных механизмов 18 на стойках 16 кольцевой перегородки 7 с углом атаки, например, -35^o (фиг. 1) или устанавливают лопатки 12 на стойках 16 с углом атаки лопаток 12, например, - 25^o и лопатки 13 на стойках 17 кольцевой перегородки 7 с углом атаки лопаток 13, например, -15^o (фиг. 3).

При культивировании низкоаэробных биологических объектов (некоторые типы бактерий) лопатки 12 устанавливают посредством зажимных механизмов 18 на стойках 15 кольцевой перегородки 7 с углом атаки, например, -16^o (фиг. 1) или устанавливают лопатки 12 на стойках 16 кольцевой перегородки 7 с углом атаки, например, -16^o и лопатки 13 на стойках 17 кольцевой перегородки 7 с углом атаки лопаток 13, например, 0^o (фиг. 3).

Далее цилиндрическую емкость 1 с установленной кольцевой перегородкой 7 и механизмом стабилизации ее положения относительно поверхности жидкости в стерильных условиях заполняют питательной средой так, чтобы над поверхностью среды в верхней части емкости 1 оставалась полость для движения аэрирующего газа, а кольцевая перегородка 7 была расположена на поверхности питательной среды или на некоторой глубине (путем подбора плавучести поплавков 10), которая меньше оптимальной глубины H = 0,02-0,09 (D₁-D₂). При этом лопатки 12 находятся над поверхностью жидкости. Например, для емкости диаметром D₀=200 мм оптимальными являются следующие параметры: D₁=160 мм; D₂=32 мм; H=8 мм. Далее устанавливают для культивирования клеток или микроорганизмов требуемый температурный режим, вводят посевную дозу материала и включают электродвигатель 24. В зависимости от требований технологии культивирования устанавливают необходимое число оборотов лопастного колеса 5. При вращении колеса 5 над поверхностью питательной среды с посевным материалом создается разряжение в приосевой зоне емкости 1 и повышенное давление на периферии этой емкости. Под действием перепада давления между периферией и приосевой зоной газовой полости над поверхностью жидкости формируется закрученный поток аэрирующего газа с полем скорости потенциального вихря на периферии емкости 1 и осевым противотоком в ее приосевой зоне, который генерирует в жидкости аналогичное турбулентное вращательное движение с интенсивным перемешиванием вдоль оси емкости. За счет установки кольцевой перегородки 7 в жидкости повышается интенсивность и направленность восходящего и нисходящего ее потоков (т.е. повышается КПД газового вихря).

При культивировании низкоаэробных биологических объектов, например некоторых типов бактериальных клеток, скорость вращения газового вихря устанавливают величиной 3-6 м/с. При этом формируется аэродинамическая сила F₁ (возникает при обтекании потоком газа лопаток 12) или аэродинамическая сила F₁ и гидродинамическая сила F₂ (возникает при обтекании потоком жидкости лопаток 13), или только гидродинамическая сила F₂. Указанные силы F₁ (фиг. 1), или F₁ и F₃ (фиг. 3), или F₂ (фиг.4) дополнительно погружают кольцевую перегородку 7, устанавливая ее на оптимальную глубину (H), которая находится в интервале глубин H=0,02-0,09(D₁-D₂).

При культивировании высокоаэробных биологических объектов, например, растительных или животных клеток, скорость вращения газового вихря формируют величиной более 7-10 м/с. При таких скоростях газового вихря на кольцевую перегородку 7, находящуюся во вращающемся потоке жидкости, кроме сил F₁ (фиг. 1), или F₁ и F₂ (фиг.3), или F₂ (фиг.4), направленные вертикально вниз, действует дополнительная гидродинамическая сила F₃ (за счет возникновения разности давлений над перегородкой 7 и под ней), направленная вертикально вверх и вызывающая всплывание перегородки 7. Сила F₃ частично компенсирует действие сил F₁ и F₂ и кольцевая перегородка 7 стабильно сохраняет свое положение в интервале глубин H=0,02-0,09(D₁-D₂).

Таким образом, механизм стабилизации положения кольцевой перегородки 7 позволяет поддерживать ее на оптимальной глубине (H) вне зависимости от режима культивирования или объема суспензии клеток в аппарате.

Согласно расчетам при средней скорости потока газа над поверхностью жидкости V_г=10 м/с средняя скорость вращения лопаток 12 вместе с кольцевой перегородкой 7 (D₁=160 мм) относительно жидкой среды будет равна V_п=2,446 м/с, а сила F₃=0,393 H.

При длине лопаток 12 l₁=7,5 см и хорде h₁=2 см; их количестве n₁=3; угле атаки лопаток 12 относительно потока газа α₁= -35° сила F₁=0,4873 H. Таким образом, в варианте выполнения механизма стабилизации положения кольцевой перегородки 7 относительно поверхности жидкости, изображенном на фиг. 1, сила F₁ частично компенсируется действием силы F₃ и указанная перегородка стабильно сохранит свое положение на глубине H.

При длине лопаток 13 l₂=3,0 см и хорде h₂=1,5 см; их количестве n₂=6; угле атаки лопаток 13 относительно потока жидкости α₂= 0° сила F₂=0,4845 H. Таким образом, в варианте выполнения механизма стабилизации положения кольцевой перегородки 7 относительно поверхности жидкости, изображенном на фиг. 4, сила F₂ частично компенсируется действием силы F₃ и указанная перегородка стабильно сохранит свое положение на глубине H. Кроме того стабильность положения кольцевой перегородки 7 в данном варианте выполнения механизма поддерживается за счет изменения плавучести поплавков 10.

Поплавки 10, выполненные в виде неравнобоких усеченных пирамид, также позволяют поддерживать кольцевую перегородку 7 на оптимальной глубине вне зависимости от режима культивирования или объема суспензии клеток в аппарате за счет того, что в случае некоторого всплывания перегородки 7, например, вследствие увеличения плотности суспензии клеток в процессе культивирования, резко уменьшается плавучесть поплавков 10 (из-за особенности их формы) и перегородка 7 вновь возвращается в исходное положение на глубину (H).

Размещение поплавков 10 в теле перегородки 7 (фиг. 1) или установка зазора между поплавками 10 и кольцевой перегородкой 7 (фиг. 3, 4) обеспечивает устранение застойных (теневых) зон на поверхности 9 перегородки 7, а также предотвращает оседание, накапливание и гибель в указанных зонах культивируемых клеток.

В процессе культивирования культур клеток или микроорганизмов аэрирующий газ взаимодействует с жидкой фазой через ее свободную поверхность над кольцевой перегородкой 7, не смешиваясь с жидкостью. Поэтому в суспензии клеток нет пузырьков газа, что исключает травмирование клеток и образование пены. При любой скорости газового вихря, по крайней мере в диапазоне 3-20 м/с, не вызывается отрыв капель суспензии с ее поверхности, что дополнительно уменьшает травмирование клеток.

За счет разряжения в приосевой зоне лопастного колеса 5 осуществляется подсос аэрирующего газа в емкость 1 через патрубок 3, а вследствие повышенного давления на периферии газовой полости над поверхностью суспензии - вывод газообразной среды из емкости 1 через патрубок 4. При этом достигается поддержание оптимального соотношения компонентов аэрирующего газа для обеспечения нормальных условий культивирования клеток или микроорганизмов.

Таким образом, предлагаемые конструктивные особенности данного аппарата с различными вариантами механизма стабилизации положения перегородки 7 относительно жидкой среды позволяет обеспечивать формирование осесимметричного вращательного движения жидкости с осевым противотоком в суспензии клеток без застойных зон как при низких скоростях движения газа (3-6 м/с), так и при более высоких скоростях движения газа (7-10 м/с и более) над поверхностью этой жидкости за счет обеспечения поддержания кольцевой перегородки на оптимальной глубине не зависимо от интенсивности газового вихря над поверхностью суспензии клеток, что в свою очередь, позволяет культивировать клетки тканей или микроорганизмы, чувствительные к механическому травмированию и имеющие разную потребность в кислороде, а также обеспечивать достижение более высокой концентрации любых типов клеток в суспензии.

Промышленная применимость.

Предлагаемый аппарат для суспензионного культивирования клеток тканей и микроорганизмов может широко использоваться в микробиологической, медицинской и пищевой промышленности.

Формула изобретения

1. Аппарат для суспензионного культивирования клеток тканей или микроорганизмов, содержащий цилиндрическую емкость с крышкой и патрубками соответственно для подачи аэрирующего газа и отвода газообразной среды и устройство для аэрации и перемешивания среды, включающее горизонтальное лопастное колесо, укрепленное на вертикальном полом валу и размещенное в верхней части емкости непосредственно под крышкой, кольцевую перегородку, установленную в цилиндрической емкости соосно лопастному колесу с образованием зазора между цилиндрической стенкой емкости и кольцевой перегородкой, и механизм стабилизации положения кольцевой перегородки относительно поверхности суспензии клеток, выполненный в виде направляющих элементов и поплавков, отличающийся тем, что направляющие элементы механизма стабилизации положения кольцевой перегородки относительно поверхности жидкости прикреплены посредством стоек к верхней поверхности кольцевой перегородки или к верхней и нижней поверхностям кольцевой перегородки и выполнены съемными в виде аэродинамически профилированных и радиально ориентированных относительно кольцевой перегородки лопаток с плоской верхней и выпуклой нижней поверхностями типа "антикрыло", причем лопатки снабжены узлами изменения угла атаки относительно набегающего потока газа или жидкости и крепления лопаток к стойкам на кольцевой перегородке и под ней.

2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что узлы изменения угла атаки лопаток относительно набегающего потока газа или жидкости и крепления лопаток к стойкам на кольцевой перегородке и под ней выполнены в виде зажимных механизмов.

3. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что при расположении лопаток на кольцевой перегородке над поверхностью суспензии клеток угол атаки лопаток относительно набегающего потока газа составляет от -15 до -90^o, а при расположении лопаток в жидкости под кольцевой перегородкой угол атаки лопаток относительно набегающего потока жидкости составляет от 0 до -35^o.

4. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что поплавки механизма стабилизации положения кольцевой перегородки относительно поверхности жидкой фазы выполнены в теле этой перегородки или выполнены в виде усеченных неравнобоких пирамид, ориентированных усеченными вершинами в сторону кольцевой перегородки, и прикреплены к стойкам между лопатками и кольцевой перегородкой с зазором относительно кольцевой перегородки и лопаток.

5. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что кольцевая перегородка погружена в суспензию клеток на глубину, равную Н=0,02 - 0,09 (D₁-D₂), где D₁ - диаметр кольцевой перегородки, D₂ - диаметр осевого отверстия кольцевой перегородки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4