Аппарат для культивирования клеток тканей или микроорганизмов в условиях невесомости

Изобретение относится к устройствам для культивирования клеток тканей и микроорганизмов в условиях отсутствия силы земной гравитации и может быть использовано в космической биотехнологии. Аппарат содержит цилиндрическую емкость с крышкой и устройство для аэрации и перемешивания суспензии указанных биологических объектов, включающее патрубки соответственно для подачи аэрирующего газа и отвода газообразной среды, размещенные в крышке емкости, и выполненное с возможностью создания на поверхности суспензии закрученного потока аэрирующего газа с полем скорости потенциального вихря на периферии емкости и осевым противотоком в приосевой зоне и перепадом давления между периферией и центром вихря в пределах 10-2000 Па. Внутренняя поверхность емкости с днищем выполнена из материала с краевым углом смачивания θ=90°, или часть внутренней поверхности емкости со стороны днища и само днище выполнены из материала, смачиваемого жидким субстратом с краевым углом смачивания θ<90°, а другая часть внутренней поверхности емкости со стороны ее крышки выполнена из материала, не смачиваемого жидким субстратом с краевым углом θ>90°, где θ, градусы, - краевые значения углов смачивания водных субстратов на твердых поверхностях. Внутренняя несмачиваемая поверхность емкости аппарата со стороны крышки может быть выполнена в виде цилиндрической вставки с фиксатором ее положения, внешний диаметр которой соответствует внутреннему диаметру емкости, и установлена в емкости с возможностью перемещения вдоль ее оси. Как вариант выполнения аппарата внутренняя несмачиваемая поверхность емкости аппарата в виде цилиндрической вставки выполнена из тефлона, а остальная смачиваемая часть поверхности емкости - из нержавеющей стали. Изобретение обеспечивает процесс культивирования культур клеток или микроорганизмов в условиях микрогравитации за счет обеспечения устойчивого состояния границы раздела жидкой и газообразной фаз. 6 з.п. ф-лы, 7 ил., 3 табл.

 

Изобретение относится к устройствам для культивирования клеток тканей и микроорганизмов в устовиях отсутствия силы земной гравитации и может быть использовано в космической биотехнологии.

Известен биореактор для культивирования культур клеток на микроносителях в условиях микрогравитации (патент США №5002890, МПК С12М 3/06, опубл. 26.03.1991). Биореактор содержит вертикальную осесимметричную камеру, в которой соосно установлено с возможностью вращения фильтрующее устройство, вокруг которого расположены с возможностью вращения гибкие мембраны. Жидкая питательная среда поступает в камеру с клетками, иммобилизованными на микроносителях, через фильтрующее устройство из замкнутой системы подготовки питательной среды и ее аэрации. Аэрация питательной среды газообразными компонентами производится перфузионно через полупроницаемую мембрану. Выпуск использованной среды производится в ту же замкнутую систему. В замкнутой системе входные и выходные параметры считываются датчиками, посредством которых добавляются питательные вещества и регулируется рН, а также подается кислород, удаляется двуокись углерода и устраняются пузырьки газа. Указанная система находится под управлением и контролем микропроцессора. Данная конструкция биореактора предназначена для работы в условиях невесомости.

Однако такое устройство сложно как конструктивно, так и в процессе эксплуатации и имеет низкие массообменные характеристики вследствие перфузионного способа аэрации суспензии клеток.

Известен биореактор, предназначенный для эксплуатации в условиях микрогравитации (патент США №5846817, МПК С12М 1/06, опубл. 08.12.1998), включающий, по крайней мере, одну камеру для культивирования клеток, систему подачи кислорода и устройство для перемешивания культуры клеток. Перемешивающее устройство установлено в камере и выполнено в виде двух соосно расположенных спиральных перегородок с зазором относительно друг друга и стенок камеры. Одна из перегородок снабжена приводом вращения.

Однако, несмотря на работоспособность такой конструкции в условиях микрогравитации, она имеет низкую эффективность перемешивания и газообмена.

Известен биореактор с дистанционным управлением для культивирования клеток как на земле, так и при слабой гравитации (Заявка на патент США №2002/0146816, МПК С12М 1/00, опубл. 10.10.2002), который содержит цилиндрическую емкость с приводом ее вращения на оси и систему, обеспечивающую поступление свежей или рециркулирующей жидкости и удаление по выбору использованной среды, подлежащей рециркуляции или фильтрации, или нефильтрованной среды для сбора образцов. Емкость биореактора включает две крышки, наливные отверстия и полимерный фильтр. Система газообмена между культуральной средой и внешними газами включает газопроницаемый трубопровод необходимой длины, перистальтический насос и полимерную емкость для хранения свежей среды. Полимерная емкость и перистальтический насос используются для дозированной подачи, перфузии или забора образцов. Корпус биореактора и трубопровод имеют дополнительный уровень биохимической защиты. Все прижимные клапаны для периодического сбора образцов взвешенных клеток или бесклеточной полимерной пористой матрицы и вентилятора. Компьютерная программа с графическим пользовательским интерфейсом для автоматического и/или роботизированного контроля всех функций, включающих, главным образом, вращение емкости реактора, подачу свежей среды, рассчитанный по времени сбор образцов жидкости из реактора, выбор между сбором клеток или бесклеточной жидкости. В целом такая конструкция также работоспособна в условиях невесомости.

Однако такое устройство имеет низкую производительность, т.к. предназначено для культивирования клеток в небольшом объеме питательной среды и имеет низкие массообменные характеристики вследствие перфузионного способа аэрации суспензии клеток.

Наиболее близким аналогом (прототипом) является аппарат для суспензионного культивирования клеток тканей или микроорганизмов (Заявка РСТ №92/05245, МПК С12М 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.

Однако прототип имеет следующие недостатки. В условиях невесомости граница раздела газ - жидкость будет подвержена возмущениям и деформациям, связанным с:

- действием сил, обусловленных нормальной и тангенциальной к поверхности раздела компонентами скорости газа;

- вязкоупругими колебаниями поверхности раздела;

- наличием краевого угла смачивания жидкости и твердой границы стенок реактора;

- действием центробежных сил в жидкости;

- действием микроускорений.

В общем случае перенос вихревого метода культивирования в космос требует воссоздания такой структуры потока жидкости, которая была бы в целом подобна вихревому кольцу (закрученный поток жидкости с полем скорости потенциального вихря на периферии емкости и осевым противотоком в приосевой зоне). Приведенные выше факторы отрицательно влияют на установление плоской границы раздела газ - жидкость и затрудняют реализацию вихревого метода культивирования в невесомости, поскольку в биореакторе-прототипе внутренняя поверхность емкости для культивирования, как правило, изготавливают из нержавеющей стали или стекла, поверхность которых хорошо смачивается жидкостью и имеет значения краевых углов смачивания воды (θ, градусы) для нержавеющей стали - 69, а для стекла - 51.

В общем случае ни полное смачивание поверхности, ни полное несмачивание не обеспечивают существования границы раздела, подобной той, которая наблюдается при земной силе тяжести.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение процесса культивирования культур клеток или микроорганизмов в условиях микрогравитации за счет обеспечения устойчивого состояния границы раздела жидкой и газообразной фаз.

Указанный технический результат достигается тем, что в аппарате для суспензионного культивирования клеток тканей или микроорганизмов в невесомости, содержащем цилиндрическую емкость с крышкой и устройство для аэрации и перемешивания суспензии указанных биологических объектов, включающее патрубки соответственно для подачи аэрирующего газа и отвода газообразной среды, размещенные в крышке емкости, и выполненное с возможностью создания на поверхности суспензии закрученного потока аэрирующего газа с полем скорости потенциального вихря на периферии емкости и осевым противотоком в приосевой зоне и перепадом давления между периферией и центром вихря в пределах 10-2000 Па, согласно изобретению, внутренняя поверхность емкости с днищем выполнена из материала с краевым углом смачивания θ=90°, или часть внутренней поверхности емкости со стороны днища и само днище выполнены из материала, смачиваемого жидким субстратом с краевым углом смачивания θ=<90°, а другая часть внутренней поверхности емкости со стороны ее крышки выполнена из материала, не смачиваемого жидким субстратом с краевым углом θ>90°, где θ, градусы, - краевые значения углов смачивания водных субстратов на твердых поверхностях.

Внутренняя несмачиваемая поверхность емкости аппарата со стороны крышки может быть выполнена в виде цилиндрической вставки с фиксатором ее положения, внешний диаметр которой соответствует внутреннему диаметру емкости, и установлена в емкости с возможностью перемещения вдоль ее оси.

Как вариант выполнения аппарата внутренняя несмачиваемая поверхность емкости аппарата в виде цилиндрической вставки выполнена из тефлона, а остальная смачиваемая часть поверхности емкости - из нержавеющей стали.

Другим вариантом выполнения аппарата вся внутренняя поверхность емкости с днищем может быть выполнена из полиэтилена.

В емкости аппарата перпендикулярно оси установлена с возможностью осевого перемещения перегородка, выполненная в виде сетки, натянутой на жесткое кольцо с фиксатором положения, выполненные из материала, не смачиваемого жидким субстратом с краевым углом смачивания θ>90°. Сетка с кольцом может быть выполнены из тефлона. Размер ячеек сетки выполнен достаточным для проникновения и контакта с жидким субстратом вихревого потока аэрирующего газа без разрушения последнего.

Таким образом, предлагаемая конструкция аппарата для суспензионного культивирования клеток тканей или микроорганизмов в невесомости позволяет по сравнению с известными аппаратами исключить повреждение клеток, пенообразование, обеспечивает высокую эффективность перемешивания при скорости аэрирования в 2-10 выше, чем в указанных аппаратах.

Краткое описание чертежей. Далее изобретение поясняется подробным описанием примеров его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых: фиг.1 изображает схематично общий вид аппарата для суспензионного культивирования клеток тканей или микроорганизмов согласно изобретению, продольный разрез; фиг.2 - разрез III-III на фиг.1; фиг.3 - схематично общий вид аппарата для суспензионного культивирования клеток тканей или микроорганизмов с другим вариантом выполнения устройства для перемешивания и аэрации и другим вариантом выполнения внутренней поверхности емкости, продольный разрез; фиг.4 - разрез IV-IV на фиг.3; фиг.5 - разрез V-V на фиг.4; фиг.6 - схематично общий вид аппарата для суспензионного культивирования клеток тканей или микроорганизмов с дополнительной перегородкой для стабилизации границы раздела фаз; на фиг.7 изображен чертеж перегородки, устанавливаемой в емкости аппарата.

Варианты осуществления изобретения. Аппарат для суспензинного культивирования клеток тканей или микроорганизмов в космосе содержит цилиндрическую емкость 1 (фиг.1, 3 и 6) для суспензии клеток с крышкой 2 и патрубками 3 и 4 соответственно для подачи аэрирующего газа и отвода газообразной среды и устройство 5 для перемешивания суспензии клеток, причем устройство 5 для перемешивания и аэрации суспензии клеток и патрубок 3 размещены в верхней части емкости 1 выше уровня а-а суспензии клеток в этой емкости.

Устройство 5 для перемешивания и аэрации суспензии клеток выполнено с возможностью создания в верхней части емкости 1 над поверхностью суспензии клеток закручивающегося потока аэрирующего газа с полем скорости потенциального вихря на периферии емкости 1 и осевым противотоком в приосевой зоне и перепадом давления между периферией и центром вихря в пределах 10-2000 Па. Как видно из фиг.1, 3 и 6, устройство 5 и конструкция емкости аппарата представлены в двух вариантах.

В соответствии с вариантом, показанным на фиг.1, устройство 5 для перемешивания суспензии клеток включает в себя насос 6 и патрубок 3 для подачи аэрирующего газа, который установлен по касательной к образующей емкости 1, как показано на фиг.3, причем количество патрубков 3 для подачи аэрирующего газа, установленных по касательной к образующей емкости, выбирается в зависимости от рабочего объема аппарата. В конкретном варианте, показанном на фиг.1 и 3, имеется четыре патрубка 3, которые равномерно расположены по окружности емкости и обеспечивают осевую симметрию поля скорости формируемого вихря. В насосе 6 (фиг.1) устройства 5 для перемешивания суспензии клеток патрубок 7 отсоса вмонтирован в крышку 2 емкости по ее оси 0-0 и сообщен с газообразной полостью части емкости, а нагнетательный патрубок 8 насоса 6 сообщен с патрубком 3 для подачи аэрирующего газа (если используется только один патрубок 3) или с коллектором 9 подвода аэрирующего газа, к которому подсоединены патрубки 3.

Кроме того, в соответствии с фиг.1 внутренняя поверхность емкости 1 с днищем выполнена из слоя 10 материала с краевым углом смачивания θ=90°, например из полиэтилена, где θ, градусы, - краевые значения углов смачивания водных субстратов на твердых поверхностях.

В соответствии с вариантом, показанным на фиг.3, устройство 5 для перемешивания и аэрации суспензии клеток образовано приводной лопастной решеткой 11 и кольцевой перегородкой 12, расположенной за лопастной решеткой 11 соосно ей. Лопастная решетка 11 установлена на неподвижной полой оси 13 посредством подшипника скольжения, причем ось 13 лопастной решетки 11 смонтирована в крышке 2 по оси 0-0 емкости. Для вращения лопастной решетки 11 использована магнитная муфта 14, одна из подвижных частей 15 которой смонтирована на лопастной решетке 11, а другая часть 16 размещена перед емкостью 1 на оси 13 с зазором 17 относительно крышки 2 и приводится во вращение, например, ременной передачей 18 от электродвигателя 19. Кольцевая перегородка 12 закреплена по периферии к стенке емкости 1 с образованием кольцевой полости 20 вокруг лопастной решетки 11. В кольцевой перегородке 12 имеется центральное отверстие 21 для отвода отходящих газов и выполнены щелевые отверстия 22 (фиг.4), равномерно расположенные по ее окружности с наклоном к горизонтальной плоскости, как показано на фиг.5. При таком конструктивном варианте выполнения устройства 5 для перемешивания патрубок 3 для подвода аэрирующего газа установлен в крышке 2 перед лопастной решеткой 11, и его нижняя часть совмещена с полой осью 13. В нижней части емкости 1 (на фиг.1, 3 и 6) размещен патрубок 23 ввода культуральной среды и посевного материала. Этот же патрубок 23 служит также и для слива суспензии клетки после окончания процесса культивирования.

В этом же варианте выполнения (фиг.3 и 6) часть внутренней поверхности емкости 1 со стороны днища и само днище выполнены из слоя 25 материала, смачиваемого жидким субстратом с краевым углом смачивания θ<90°, а другая часть внутренней поверхности емкости со стороны ее крышки 2 выполнена из слоя 26 материала, не смачиваемого жидким субстратом с краевым углом θ>90°, где θ, градусы, - краевые значения углов смачивания водных субстратов на твердых поверхностях. Причем несмачиваемый слой 26 может быть выполнен в виде цилиндрической вставки с фиксатором 27 ее положения, внешний диаметр которой соответствует внутреннему диаметру емкости 1 и которая установлена в емкости с возможностью перемещения вдоль ее оси для регулирования положения границы раздела фаз. Несмачиваемый слой 26 (в виде цилиндрической вставки) может быть выполнен из тефлона, а остальная смачиваемая часть поверхности емкости (слой 25) - из нержавеющей стали.

Как вариант выполнения (фиг.6) в емкости 1 аппарата перпендикулярно ее оси установлена с возможностью осевого перемещения перегородка 28, выполненная в виде сетки 29, натянутой на жесткое кольцо 30 с фиксатором положения 31. Перегородка 28 (сетка 29 с кольцом 30) выполнена из материала, не смачиваемого жидким субстратом с краевым углом смачивания θ>90°, например, из тефлона. Размер ячеек сетки 29 подобран достаточным для проникновения и контакта с жидким субстратом вихревого потока аэрирующего газа без разрушения последнего.

В емкости аппарата с внутренней поверхностью, у которой θ=90°, граница раздела газ - жидкость в условиях невесомости принимает плоскую форму. Как видно из данных таблицы 1, таким условиям приближенно соответствует емкость, выполненная из полиэтилена, у которого θ≈90-95°.

Для повышения надежности работы аппарата нижняя часть его емкости выполнена из материала, смачиваемого жидкостью (θ<90°), вследствие чего обеспечивается контакт жидкости со стенкой сосуда, и она будет растекаться по его внутренней поверхности. Этот процесс ограничивается несмачиваемой поверхностью с краевым углом θ>90°. В условиях невесомости в случае, когда объем налитой жидкости меньше объема части сосуда со смачивающей поверхностью, свободная поверхность жидкости имеет форму вогнутого мениска. Если объем налитой жидкости больше объема части сосуда со смачивающей поверхностью над областью со смачивающей границей образуется выпуклый мениск. В случае, когда объем налитой жидкости равен объему части емкости с поверхностью, где θ<90°, граница раздела будет плоской.

Для повышения надежности работы аппарата в условиях космоса стабилизировать границу раздела газ - жидкость близко по форме к плоскости и, в некоторой степени, «застраховаться» от негативного влияния микроускорений и других указанных выше возмущений границы фаз можно размещением над границей раздела тонкой не смачиваемой жидкостью сеткой с достаточно крупной ячейкой. Высота расположения сетки над субстратом задается равной амплитуде колебаний границы раздела, которые требуется ограничить. Если объем жидкости равен объему части сосуда, где θ<90°, то сетка ограничит деформации плоской в статическом случае поверхности раздела и существенно снизит набор условий, при которых движущаяся жидкость может проникать через сетку в газовую среду. С другой стороны такая конструкция из-за сохранения доступа движущегося газа к поверхности жидкости обеспечит образование ответного вихревого течения жидкости за счет трения газа о поверхность раздела.

Таблица 1
Значения краевых углов смачивания воды на некоторых поверхностях
Твердая поверхность:	Тефлон	Полиэтилен	Нержавеющая сталь	Стекло
θ, градусы	115-120	92-95	69	51

Работа предлагаемого аппарата осуществляется следующим образом.

Цилиндрическую емкость 1 в стерильных условиях заполняют питательной средой с высотой такой, чтобы над поверхностью суспензии клеток в верхней части емкости оставалась полость 24 для аэрирующего газа. Затем цилиндрическую вставку с внутренним слоем 26 из тефлона устанавливают на уровне границы раздела жидкой и газовой фаз, включают терморегулятор на требуемый температурный режим культивирования и вводят посевную дозу клеток. Далее включают устройство 5 для перемешивания и аэрации суспензии клеток, которое в соответствии с вариантами, показанными на фиг.1, 3 и 6, создает в суспензии клеток квазистационарное вращательное движение, генерируемое вихревым потоком аэрирующего газа. Для этого в соответствии с фиг.1, 2 включается насос 6, через нагнетательный патрубок 8 которого в патрубки 3 подается аэрирующий газ. Из последних аэрирующий газ вводится тангенциально в полость 24 емкости 1.

Под действием перепада давления между периферией емкости и приосевой зоной полости 24, создаваемого насосом 6, газ по спиральным траекториям с высокой скоростью движется над поверхностью суспензии к патрубку 4 для отвода газообразной среды, соединенному с патрубком 7 отсоса насоса 6 с полем скорости потенциального вихря на периферии емкости (показанного на фиг.1 стрелкой А) и осевым противотоком (показанным на фиг.1 стрелкой В) в приосевой зоне.

В соответствии с фиг.3-6 перемешивание осуществляется после включения электродвигателя 19 и вращения лопастной решетки 11. В зависимости от требований технологии устанавливают необходимое число оборотов лопастной решетки 11. При вращении лопастной решетки 11 создается разрежение в его приосевой зоне и повышенное давление на периферии. За счет этого аэрирующий газ из полости 24 емкости I поступает через отверстие 21 в кольцевой перегородке 12 к лопастям решетки 11 и выбрасывается с высокой скоростью этими лопастями в кольцевую полость 20.

В полости 20 происходит снижение скорости потока газа и повышение его давления, кинетическая энергия газа превращается в энергию давления. Из полости 20 аэрирующий газ поступает к щелевым отверстиям 22. Далее через эти щелевые отверстия 22 аэрирующий газ по касательной к стенке емкости 1 вводится в газовую полость 24 над поверхностью суспензии клеток. Здесь под действием перепада давления между периферией и приосевой зоной полости 24 аэрирующий газ по спиральным траекториям с высокой скоростью движется к отверстию 21 и к центру лопастной решетки 11.

Таким образом, во всех этих вариантах аппарата над поверхностью суспензии клеток формируется закрученный поток аэрирующего газа с полем скорости потенциального вихря на периферии емкости и осевым противотоком в приосевой зоне, который генерирует в жидкости аналогичное турбулентное квазистационарное вращательное движение с интенсивным перемешиванием вдоль оси емкости.

В результате интенсивной закрутки потока аэрирующего газа над поверхностью суспензии клеток в вихре имеет место разница давлений между его периферией I (повышенное) и центром II (пониженное). Разница давлений в газе через свободную поверхность суспензии клеток генерирует в последней осевое движение: нисходящее в периферийной зоне III емкости и восходящее в приосевой его зоне IV. Одновременно, вследствие трения газа о свободную поверхность жидкой среды, возникает вращательное движение суспензии. В процессе культивирования клеток аэрирующий газ взаимодействует с суспензией клеток через ее свободную поверхность, насыщая ее кислородом и не смешиваясь с нею. В результате в суспензии клеток исключается образование пузырьков газа, что уменьшает травмирование клеток и образование пены. Поскольку указанное вихревое перемешивание суспензии представляет собой квазистационарный процесс, то в ней обеспечивается интенсификация массообменных характеристик без застойных зон в объеме емкости. За счет разрежения в приосевой зоне лопастной решетки 11 (или в патрубке 7 отсоса насоса 6) через патрубок 3 осуществляется подсос аэрирующего газа в емкость I, а вследствие повышенного давления на периферии полости 20 - вывод газообразной среды из емкости I через патрубок 4, при этом достигается поддержание оптимального соотношения компонентов аэрирующего газа для обеспечения нормальных условий культивирования клеток или микроорганизмов в условиях космоса.

Таким образом, конструктивные особенности предлагаемых вариантов аппарата позволяют в условиях невесомости снизить энергозатраты на аэрацию и перемешивание суспензии клеток за счет того, что эти процессы осуществляются и поддерживаются на оптимальном уровне путем введения аэрирующего газа, который формирует устойчивый вихрь, потенциальная энергия которого, переходя в кинетическую, практически полностью используется в аппарате на перемешивание суспензии клеток, при этом устойчивость этого вихря и концентрация его энергии в восходящем потоке обеспечивается за счет применения смачиваемых и несмачиваемых материалов, покрывающих внутреннюю поверхность емкости, и приводит к эффективному перемешиванию суспензии клеток при сохранении мягких условий перемешивания для клеток или микроорганизмов.

Теоретическое обоснование работоспособности газовихревого аппарата в условиях невесомости

В условиях орбитального полета на форму границы раздела газ - жидкость влияют упоминавшиеся выше микроускорения, связанные с действием гравитации, космической среды и работой систем искусственного спутника.

В таблице 2 приведены сведения об их величине и периоде (частоте) действия [Полежаев В.И. и др., 1991. Конвективные процессы в невесомости. М.: «Наука». 240 с]. Направление вектора перечисленных в таблице 2 микроускорений относительно системы координат, связанной с вихревым биореактором, зависит от расположения установки на борту орбитального аппарата, ориентации космического аппарата и параметров его орбиты.

Таблица 2
Величина и период действия микроускорений на борту орбитального аппарата типа «Салют-Союз» (масса 32 т, длина 28 м)
Возмущающие факторы	* Микроускорение	** Период действия
Гравитационные: градиентно-гравитационные собственное тяготение аппарата	10-6 10-9	0,5-1 ∞
Космическая среда: гравитационный момент сопротивление атмосферы солнечное давление микрометеориты и др.	10-6 10-6 10-8 10-12	0,5-1 1 1
Работа систем орбитального аппарата: стабилизация полета коррекция орбиты деятельность экипажа упругие колебания конструкции	10-3-10-4 10-2-10-3 10-2-10-5 10-2-10-4	0,1-10 Гц 0,1-10 Гц 0,1-10 Гц 0,1-10 Гц
Примечания: * - в долях от земного значения g=981 см/с2; ** - в долях периода обращения аппарата вокруг Земли.

Вращение жидкости в биореакторе приводит к появлению центробежного ускорения, приводящего к трансформации формы границы раздела фаз. Теоретически и экспериментально установлено, что характерная скорость жидкости на уровне границы раздела фаз на порядок меньше скорости газа и составляет порядка нескольких сантиметров в секунду. Так в оценках числа Рейнольдса использовалось значение скорости жидкости под границей раздела фаз 5 см/с. Это дает основания предположить, что в глубине жидкости линейная скорость ее вращения будет порядка см/с.

По данным измерений [Мертвецов Н.П., Рамазанов Ю.А., Репков А.П., Дударев А.Н.,. Кислых В.И. 2002. Газовихревые биореакторы «БИОК»: использование в современной биотехнологии. Новосибирск. Изд-во «Наука». 117 с.] эта величина у поверхности жидкости имеет такое же значение. В качестве характерного значения радиуса зададим, например, Угловое ускорение жидкости будет равно см/с². Вектор центробежного ускорения всегда направлен по перпендикуляру от оси z.

Сделаем оценки влияния микроускорений на форму границы раздела газ - жидкость, которое определяется комбинацией параметров σ, ρ и g в виде отношения σ/(gρ), имеющего размерность квадрата длины. Линейный параметр называемый капиллярной постоянной, где σ - коэффициент поверхностного натяжения [Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. 1944. Механика сплошных сред. М.-Л.: Государственное издательство технико-технической литературы. 624 с].

Таблица 3
Использование в расчетах числовые значения констант для сухого воздуха и чистой воды при температуре 40°С и давлении в одну атмосферу
ρа, г/см3	сра, дж/г.град.	λа, дж/см.сек.град.	µа, г/см·сек	βа, 1/град.
1,128.10-3	1,005	2,76·10-4	1,91·10-4	3,2·10-3
ρ, г/см3	ср, дж/г·град.	λ, дж/см·сек·град.	µ, г/см.сек	β, 1/град.
0,992	4,174	6,27·10-3	0,653·10-2	3,8·10-4
σ=69,7 дин/см

Если капиллярная постоянная много больше размеров сосуда, то сила тяжести (ускорение) не будет оказывать существенного влияния на форму границы раздела. В земных условиях при указанных в таблице 4 значениях σ и ρ значение капиллярной постоянной составляет α=0,37 см. Таким образом, при g=981 см/с² граница раздела газ - жидкость целиком определяется наличием силы тяжести.

В соответствии с приведенными в таблице 2 данными значения капиллярной постоянной для микроускорений, которые обусловлены действием гравитации и факторов космической среды, составляют от ≈4·10² до ≈10⁴ см при линейном масштабе см. Следовательно, ни гравитационные факторы, ни факторы космической среды не могут существенным образом повлиять на форму границы раздела фаз.

Капиллярная постоянная для возмущающих факторов, которые обусловлены стабилизацией полета и коррекцией орбиты, имеет диапазон изменения от ≈4 до ≈10² см. Таким образом, значения капиллярной постоянной при стабилизации полета космического аппарата и коррекции его орбиты в ряде режимов полета сравнимы с линейным масштабом см и действие этих факторов может существенно сказаться на форме границы раздела газ - жидкость в вихревом биореакторе. Однако время их действия не продолжительное и возмущения границы раздела фаз будут быстро затухать из-за диссипации механической энергии в тепловую энергию.

Центробежное ускорение, вызванное вращением жидкости вокруг оси z, в соответствии со сделанной выше оценкой углового ускорения приводит к значению капиллярной постоянной порядка ≈17 см. Это значение существенно больше масштаба см и действует постоянно. Это действие, ввиду квазистационарного характера течения жидкости в вихревом биореакторе, имеет переменную величину. Таким образом, в общем случае действие центробежной силы может сказываться на форме границы раздела фаз в течение всего космического эксперимента.

И, наконец, действие силы Кориолиса в соответствии с сделанной выше оценкой ее ускорения ≈2·10^-2 см/с² дает значения капиллярной постоянной порядка ≈80 см. Это значение много больше масштаба см и действует постоянно. Поэтому действие силы Кориолиса не должно значимо влиять на форму границы раздела фаз в течение всего космического эксперимента. В силу этого гидродинамический процесс, протекающий в жидкости вихревого биореактора, является квазистационарным, в каждой точке вектор силы Кориолиса является переменным и зависит от расположения данной точки в сосуде и текущего момента времени.

Таким образом, отдельные (самые большие) микроускорения могут на непродолжительное время повлиять на форму границы раздела фаз в вихревом биореакторе. Влияние силы Кориолиса и вращения жидкости в вихревом биореакторе не велико, но постоянно. Эти эффекты также могут сказаться на форме границы раздела фаз.

Анализ устойчивости границы раздела газ - жидкость в заявляемом аппарате в условиях космического полета.

Рассмотрим условия, при которых граница раздела газ - жидкость в вихревом биореакторе не разрушается под действием возмущающих факторов на борту космического аппарата: микроускорений, силы Кориолиса и центробежных сил во вращающейся жидкости.

В самой общей постановке критерием такого условия является возможность упругой границы раздела фаз противодействовать энергии жидкости в его объеме, созданной полем внешней силы или энергии вращения. Если энергия границы раздела фаз больше потенциальной энергии, накопленной в жидкости, то граница раздела способна противодействовать разрушительному действию возмущений. Если выполняется противоположное условие, то накопленная в жидкости энергия неизбежно разрушит упругую границу раздела фаз.

Из предварительных теоретических расчетов можно сделать вывод о том, что даже самые большие микроускорения на борту космического аппарата из перечисленных в таблице 2 не способны разрушить упругую границу раздела в вихревом биореакторе. Однако данные микроускорения способны привести к некоторой деформации поверхности раздела фаз. Сказанное в полной мере относится и к действию ускорения Кориолиса, имеющего такой же порядок величины, что и микроускорения.

Аналогичную оценку можно провести для действия центробежных сил во вращающейся жидкости. Теоретические расчеты и оценки показывают, что действие микроускорений на борту космического аппарата и силы Кориолиса не могут критическим образом сказаться на целостности границы раздела газ - жидкость. В то же время центробежные силы, действующие во вращающейся жидкости, теоретически способны разрушить эту границу.

Промышленная применимость

Предлагаемый аппарат для суспензионного культивирования клеток тканей или микроорганизмов в невесомости может широко использоваться в космической биотехнологии и медицине.

1. Аппарат для суспензионного культивирования клеток тканей или микроорганизмов в невесомости, содержащий цилиндрическую емкость с крышкой и устройство для аэрации и перемешивания суспензии указанных биологических объектов, включающее патрубки соответственно для подачи аэрирующего газа и отвода газообразной среды, размещенные в крышке емкости, и выполненное с возможностью создания на поверхности суспензии закрученного потока аэрирующего газа с полем скорости потенциального вихря на периферии емкости и осевым противотоком в приосевой зоне и перепадом давления между периферией и центром вихря в пределах 10-2000 Па, отличающийся тем, что внутренняя поверхность емкости с днищем выполнена из материала с краевым углом смачивания θ=90°, или часть внутренней поверхности емкости со стороны днища и само днище выполнены из материала, смачиваемого жидким субстратом с краевым углом смачивания θ<90°, а другая часть внутренней поверхности емкости со стороны ее крышки выполнена из материала, не смачиваемого жидким субстратом с краевым углом θ>90°, где θ, градусы - краевые значения углов смачивания водных субстратов на твердых поверхностях.

2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что внутренняя не смачиваемая поверхность емкости со стороны крышки выполнена в виде цилиндрической вставки с фиксатором ее положения, внешний диаметр которой соответствует внутреннему диаметру емкости и установлена в емкости с возможностью перемещения вдоль ее оси.

3. Аппарат по п.2, отличающийся тем, что внутренняя не смачиваемая поверхность емкости в виде цилиндрической вставки выполнена из тефлона, а остальная смачиваемая часть поверхности емкости - из нержавеющей стали.

4. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что вся внутренняя поверхность емкости с днищем выполнена из полиэтилена.

5. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что в емкости перпендикулярно оси установлена с возможностью осевого перемещения перегородка, выполненная в виде сетки, натянутой на жесткое кольцо с фиксатором положения, выполненная из материала, не смачиваемого жидким субстратом с краевым углом смачивания θ>90°.

6. Аппарат по п.5, отличающийся тем, что сетка с кольцом выполнены из тефлона.

7. Аппарат по п.5, отличающийся тем, что размер ячеек сетки выполнен достаточным для проникновения и контакта с жидким субстратом вихревого потока аэрирующего газа без разрушения последнего.